JP2020161845A - 電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
ば、トランジスタおよび半導体装置の製造方法に関する。または、本発明は、例えば、表
示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、プロセッサ、電子機器に関する。ま
たは、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の製造方法に関する。ま
たは、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の駆動方法に関する。
の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発
明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション
・オブ・マター)に関するものである。
置全般を指す。表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、半導体回路および電子機
器は、半導体装置を有する場合がある。
いる。当該トランジスタは集積回路や表示装置のような半導体装置に広く応用されている
。トランジスタに適用可能な半導体としてシリコンが知られている。
シリコンとが使い分けられている。例えば、大型の表示装置を構成するトランジスタに適
用する場合、大面積基板への成膜技術が確立されている非晶質シリコンを用いると好適で
ある。一方、駆動回路を一体形成した高機能の表示装置を構成するトランジスタに適用す
る場合、高い電界効果移動度を有するトランジスタを作製可能な多結晶シリコンを用いる
と好適である。多結晶シリコンは、非晶質シリコンに対し高温での熱処理、またはレーザ
光処理を行うことで形成する方法が知られる。
の開発が活発化している。酸化物半導体の歴史は古く、1988年には、結晶In−Ga
−Zn酸化物を半導体素子へ利用することが開示されている(特許文献1参照。)。また
、1995年には、酸化物半導体を用いたトランジスタが発明されており、その電気特性
が開示されている(特許文献2参照。)。
多結晶シリコンを用いたトランジスタとは異なる特徴を有する。例えば、酸化物半導体を
用いたトランジスタを適用した表示装置は、消費電力が低いことが知られている。酸化物
半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、大型の表示装置を構成するト
ランジスタに用いることができる。また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、高い電
界効果移動度を有するため、駆動回路を一体形成した高機能の表示装置を実現できる。ま
た、非晶質シリコンを用いたトランジスタの生産設備の一部を改良して利用することが可
能であるため、設備投資を抑えられるメリットもある。
導通時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、オ
ン電流の大きいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、ノーマリーオフ
の電気特性を有するトランジスタを提供することを課題の一とする。または、サブスレッ
ショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、信
頼性の高いトランジスタを提供することを課題の一とする。
、該半導体装置を有するモジュールを提供することを課題の一とする。または、該半導体
装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とする。または、
新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規なモジュールを提供す
ることを課題の一とする。または、新規な電子機器を提供することを課題の一とする。
一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課
題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、
図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
縁体と、第3の絶縁体と、第4の絶縁体と、を有し、酸化物半導体は、第1の絶縁体上に
配置され、第2の絶縁体は、酸化物半導体上に配置され、第3の絶縁体は、第2の絶縁体
上に配置され、第1の導電体は、第3の絶縁体上に配置され、第4の絶縁体は、第1の導
電体上に配置され、第4の絶縁体は、第2の絶縁体の上面と接する領域を有し、酸化物半
導体は、第2の絶縁体および第3の絶縁体を介して第1の導電体と重なる領域、を有し、
上面からみたとき、第1の絶縁体の外周および第2の絶縁体の外周が、酸化物半導体の外
周よりも外側にあることを特徴とする半導体装置である。
の導電体と重なる第1の領域と、第1の導電体と重ならない第2の領域および第3の領域
と、を有し、第2の領域および第3の領域は、第1の領域よりも第1の元素の濃度が高い
ことが好ましい。
リコン、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、イッ
トリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、インジウム、スズ、ランタン、セリウム
、ネオジム、ハフニウム、タンタルまたはタングステンであることが好ましい。
縁体または/および第2の絶縁体は、酸素および第2の元素を有することが好ましい。ま
た、第2の元素はガリウムとしてもよい。
縁体下に配置され、第5の絶縁体は凸部を有し、上面から見たとき、第5の絶縁体の凸部
の外周は、酸化物半導体の外周よりも内側にある構成としてもよい。
の絶縁体は、第1の絶縁体下に配置され、第2の導電体は、第5の絶縁体下に配置され、
酸化物半導体は、第1の絶縁体および第5の絶縁体を介して第2の導電体と重なる領域を
有する構成としてもよい。
縁体と、第3の絶縁体と、第4の絶縁体と、第5の絶縁体と、を有し、酸化物半導体は、
第1の絶縁体上に配置され、第2の絶縁体は、酸化物半導体上に配置され、第3の絶縁体
は、第2の絶縁体上に配置され、第1の導電体は、第3の絶縁体上に配置され、第4の絶
縁体は、第1の導電体の側面と接して配置され、第5の絶縁体は、第1の導電体上および
第4の絶縁体上に配置され、第4の絶縁体および第5の絶縁体は、第3の絶縁体の上面と
接する領域を有し、酸化物半導体は、第2の絶縁体および第3の絶縁体を介して第1の導
電体と重なる領域を有し、上面からみたとき、第1の絶縁体の外周および第2の絶縁体の
外周が、酸化物半導体の外周よりも外側にあることを特徴とする半導体装置である。
の導電体または第4の絶縁体の少なくとも一方と重なる第1の領域と、第1の導電体また
は第4の絶縁体の少なくとも一方と重ならない第2の領域および第3の領域と、を有し、
第2の領域および第3の領域は、第1の領域よりも第1の元素の濃度が高いことが好まし
い。
リコン、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、イッ
トリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、インジウム、スズ、ランタン、セリウム
、ネオジム、ハフニウム、タンタルまたはタングステンであることが好ましい。
の絶縁体と重なる第5の領域と、を有し、第5の領域は、第4の領域よりもヘリウム、ネ
オン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ホウ素、窒素、フッ素、リン、塩素またはヒ素
のいずれかの濃度が高いことが好ましい。
縁体または/および第2の絶縁体は、酸素および第2の元素を有することが好ましい。ま
た、第2の元素はガリウムとしてもよい。
縁体下に配置され、第6の絶縁体は凸部を有し、上面から見たとき、第6の絶縁体の凸部
の外周は、酸化物半導体の外周よりも内側にある構成としてもよい。
の絶縁体は、第1の絶縁体下に配置され、第2の導電体は、第6の絶縁体下に配置され、
酸化物半導体は、第1の絶縁体および第6の絶縁体を介して第2の導電体と重なる領域を
有する構成としてもよい。
リーク電流の小さいトランジスタを提供することができる。または、オン電流の大きいト
ランジスタを提供することができる。または、ノーマリーオフの電気特性を有するトラン
ジスタを提供することができる。または、サブスレッショルドスイング値の小さいトラン
ジスタを提供することができる。または、信頼性の高いトランジスタを提供することがで
きる。
体装置を有するモジュールを提供することができる。または、該半導体装置、または該モ
ジュールを有する電子機器を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供す
ることができる。または、新規なモジュールを提供することができる。または、新規な電
子機器を提供することができる。
一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書
、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項
などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易
に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるも
のではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は
異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じ
くし、特に符号を付さない場合がある。
合わせ、又は置き換えなどを行って、本発明の一態様とすることができる。
ている場合がある。
えることが可能である。
)との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能であ
る。一般的に、電位(電圧)は、相対的なものであり、基準の電位からの相対的な大きさ
によって決定される。したがって、「接地電位」などと記載されている場合であっても、
電位が0Vであるとは限らない。例えば、回路で最も低い電位が、「接地電位」となる場
合もある。または、回路で中間くらいの電位が、「接地電位」となる場合もある。その場
合には、その電位を基準として、正の電位と負の電位が規定される。
層順を示すものではない。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」または「第3の」
などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書などに記載されている序数
詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
度が0.1原子%未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、例えば、半
導体にDOS(Density of State)が形成されることや、キャリア移動
度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半
導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第1族元素、第2
族元素、第13族元素、第14族元素、第15族元素、主成分以外の遷移金属などがあり
、特に、例えば、水素(水にも含まれる)、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、
リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によ
って酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性
を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第1族元素、第2族元素、第1
3族元素、第15族元素などがある。
ンジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重
なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース
電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つ
のトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、
一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明
細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値
、最小値または平均値とする。
で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される
領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つの
トランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、
一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明
細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値
、最小値または平均値とする。
ネル幅(以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。)と、トランジスタの上面図において示され
るチャネル幅(以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。)と、が異なる場合がある。例えば
、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面
図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくな
る場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の側面
に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において
示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅
の方が大きくなる。
測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見
積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形
状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である
。
に重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ
上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅(SCW:Surrounded Chann
el Width)」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載し
た場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または
、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合が
ある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲
い込みチャネル幅などは、断面TEM像などを取得して、その画像を解析することなどに
よって、値を決定することができる。
める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチ
ャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
されている状態をいう。したがって、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「略
平行」とは、二つの直線が−30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう。
また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態
をいう。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、
二つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。
す。
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成について、図1乃至図3を
用いて説明する。
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置の一例としてトランジスタの構成について
説明する。
はトランジスタ10の上面図である。図1(B)は図1(A)の一点鎖線A1−A2に対
応する断面図である。図1(C)は図1(A)の一点鎖線A3−A4に対応する断面図で
ある。なお、一点鎖線A1−A2で示す領域では、トランジスタ10のチャネル長方向に
おける構造を示しており、一点鎖線A3−A4で示す領域では、トランジスタ10のチャ
ネル幅方向における構造を示している。なお、トランジスタのチャネル長方向とは、ソー
ス(ソース領域またはソース電極)及びドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)間
において、キャリアが移動する方向を意味し、チャネル幅方向は、基板と水平な面内にお
いて、チャネル長方向に対して垂直の方向を意味する。なお、図1(A)において、煩雑
になることを避けるため、トランジスタ10の構成要素の一部(保護絶縁膜として機能す
る絶縁膜等)を省略して図示している。なお、トランジスタの上面図においては、以降の
図面においても図1(A)と同様に、構成要素の一部を省略して図示する場合がある。
106cと、絶縁体112と、絶縁体116と、を有する。半導体106bは、絶縁体1
06a上に配置され、絶縁体106cは、半導体106b上に配置され、絶縁体112は
、絶縁体106c上に配置され、導電体114は、絶縁体112上に配置される。絶縁体
116は、導電体114上に配置され、絶縁体116は、絶縁体106cの上面と接する
領域を有し、半導体106bは、絶縁体106cおよび絶縁体112を介して導電体11
4と重なる領域を有する。図1(A)に示すように上面から見たとき、絶縁体106aの
外周および絶縁体106cの外周が、半導体106bの外周よりも外側にある。
形成された絶縁体101、導電体102、絶縁体103及び絶縁体104と、絶縁体10
4の上に形成された絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106cと、絶縁体10
6cの上に形成された絶縁体112、導電体114と、導電体114の上に形成された絶
縁体116、絶縁体118、導電体108a及び導電体108bと、を有する。
c、絶縁体112、絶縁体116及び絶縁体118は、絶縁膜又は絶縁層ということもで
きる。また、導電体102、導電体108a、導電体108b及び導電体114は、導電
膜又は導電層ということもできる。また、半導体106bは、半導体膜又は半導体層とい
うこともできる。
に埋め込まれるように導電体102が形成されている。絶縁体103及び導電体102上
に絶縁体104が形成されている。ここで、絶縁体101は酸素、水素、水等に対してブ
ロッキング効果を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、絶縁体104は酸素を含
む絶縁体を用いることが好ましい。
本実施の形態に示す半導体装置の構成はこれに限られるものではなく、例えば、図1(D
)(E)に示すように、導電体102及び絶縁体103を設けない構成としてもよい。
106bが形成され、絶縁体106aの上面と半導体106bの上面に接して絶縁体10
6cが形成される。ここで、半導体106bは少なくとも一部が、導電体102と重なる
ように形成されることが好ましい。半導体106bの側面端部、特にチャネル幅方向の側
面端部が、絶縁体106a及び絶縁体106cと接して設けられている。さらに、絶縁体
106aの側面端部、特にチャネル幅方向の側面端部と、絶縁体106cの側面端部、特
にチャネル幅方向の側面端部と、が概略一致する形状となっている。このように本実施の
形態に示すトランジスタ10は、半導体106bが絶縁体106a及び絶縁体106cに
包み込まれるように設けられている。
側面端部より内側に位置するようにパターン形成することにより、絶縁体104が絶縁体
106aまたは半導体106bのエッチングとともにエッチングされる回数を削減するこ
とができる。また、絶縁体104表面のエッチング箇所を導電体102から遠くにするこ
とができるので、トランジスタ10の耐圧性の向上にもつながる。
部とが概略一致する形状となっているが、本実施の形態に示すトランジスタはこれに限ら
れるものではない。例えば、絶縁体106aの外周が絶縁体106cの外周より外側に位
置してもよいし、絶縁体106cの外周が絶縁体106aの外周より外側に位置してもよ
い。
傍(図1(B)では点線で表示)に低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bが形成さ
れる。低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bは、絶縁体116に含まれる元素の少
なくとも一が含まれる。低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bの一部が、半導体1
06bの導電体114と重なる領域(チャネル形成領域)と概略接するか、当該領域の一
部と重なることが好ましい。
及び低抵抗領域107bは絶縁体106cに形成されやすい。絶縁体106cにおける低
抵抗領域107aと低抵抗領域107bは、絶縁体106cの低抵抗領域107a及び低
抵抗領域107bではない領域(例えば、絶縁体106cの導電体114と重なる領域)
より、絶縁体116に含まれる元素の濃度が高い。
成される。絶縁体112及び導電体114は、少なくとも一部が導電体102及び半導体
106bと重なる。導電体114のチャネル長方向の側面端部と絶縁体112のチャネル
長方向の側面端部は概略一致していることが好ましい。ここで、絶縁体112はトランジ
スタ10のゲート絶縁膜として機能し、導電体114はトランジスタ10のゲート電極と
して機能する。
縁体116は、絶縁体106cの絶縁体112と重なっていない領域と接していることが
好ましい。また、絶縁体116は、絶縁体104の少なくとも一部と接していてもよい。
絶縁体116の上に絶縁体118が形成される。ここで、絶縁体116はトランジスタ1
0の保護絶縁膜として機能し、絶縁体118は、トランジスタ10の層間絶縁膜として機
能する。絶縁体116は、酸素に対してブロッキング効果を有する絶縁体を用いることが
好ましい。
8aまたは導電体108bは、絶縁体118、絶縁体116及び絶縁体106cに設けら
れた開口を介して低抵抗領域107aまたは低抵抗領域107bに接している。導電体1
08aと導電体108bは離間して形成されており、図1(B)に示すように導電体11
4を挟んで対向して形成されていることが好ましい。ここで、導電体108aは、トラン
ジスタ10のソース電極またはドレイン電極の一方として機能し、導電体108bは、ト
ランジスタ10のソース電極またはドレイン電極の他方として機能する。なお、図1(B
)では、導電体108a及び導電体108bは半導体106bに接して設けられているが
、本実施の形態はこれに限られるものではない。低抵抗領域107a及び低抵抗領域10
7bとの接触抵抗が十分低いなら、導電体108a及び導電体108bと絶縁体106c
が接する構成としてもよい。
以下、半導体106bの詳細な構成について説明する。
詳細な構成についても説明する。
、インジウムを含むと、キャリア移動度(電子移動度)が高くなる。また、半導体106
bは、元素Mを含むと好ましい。元素Mは、好ましくは、Ti、Ga、Y、Zr、La、
Ce、Nd、SnまたはHfを表すとする。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組
み合わせても構わない場合がある。元素Mは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元
素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。または
、元素Mは、例えば、酸化物半導体のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素
である。また、半導体106bは、亜鉛を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含む
と結晶化しやすくなる場合がある。
06bは、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、
亜鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などで
あっても構わない。
以上、または二種以上から構成される。半導体106bを構成する酸素以外の元素一種以
上、または二種以上から絶縁体106a及び絶縁体106cが構成されるため、絶縁体1
06aと半導体106bとの界面、及び半導体106bと絶縁体106cとの界面におい
て、欠陥準位が形成されにくい。
と好ましい。なお、絶縁体106aがIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を
100atomic%としたとき、好ましくはInが50atomic%未満、Mが50
atomic%より高く、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75a
tomic%より高いとする。また、半導体106bがIn−M−Zn酸化物のとき、I
nおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが25atomic
%より高く、Mが75atomic%未満、さらに好ましくはInが34atomic%
より高く、Mが66atomic%未満とする。また、絶縁体106cがIn−M−Zn
酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが
50atomic%未満、Mが50atomic%より高く、さらに好ましくはInが2
5atomic%未満、Mが75atomic%より高いとする。ただし、絶縁体106
aまたは絶縁体106cがインジウムを含まなくても構わない場合がある。例えば絶縁体
106aまたは絶縁体106cが酸化ガリウムまたはGa−Zn酸化物であっても構わな
い。なお、絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106cに含まれる各元素の原子
数が、簡単な整数比にならなくても構わない。
cに用いるターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、In:M:Zn=1:2
:4、In:M:Zn=1:3:2、In:M:Zn=1:3:4、In:M:Zn=1
:3:6、In:M:Zn=1:3:8、In:M:Zn=1:4:3、In:M:Zn
=1:4:4、In:M:Zn=1:4:5、In:M:Zn=1:4:6、In:M:
Zn=1:6:3、In:M:Zn=1:6:4、In:M:Zn=1:6:5、In:
M:Zn=1:6:6、In:M:Zn=1:6:7、In:M:Zn=1:6:8、I
n:M:Zn=1:6:9等がある。また、絶縁体106aに用いるターゲットの金属元
素の原子数比をM:Zn=10:1としてもよい。
ゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、In:M:Zn=1:1:1、In:M
:Zn=1:1:1.2、In:M:Zn=2:1:1.5、In:M:Zn=2:1:
2.3、In:M:Zn=2:1:3、In:M:Zn=3:1:2、In:M:Zn=
4:2:4.1等がある。特に、スパッタリングターゲットとして、原子数比がIn:G
a:Zn=4:2:4.1を用いる場合、成膜される半導体106bの原子数比は、In
:Ga:Zn=4:2:3近傍となる場合がある。
る。そのため、絶縁体106cがインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム
原子割合[Ga/(In+Ga)]は、例えば、70%以上、好ましくは80%以上、さ
らに好ましくは90%以上とする。
6bのエネルギーギャップは、例えば、2.5eV以上4.2eV以下、好ましくは2.
8eV以上3.8eV以下、さらに好ましくは3eV以上3.5eV以下とする。ここで
、絶縁体106aのエネルギーギャップは、半導体106bのエネルギーギャップより大
きい。また、絶縁体106cのエネルギーギャップは、半導体106bのエネルギーギャ
ップより大きい。
化物を用いる。例えば、半導体106bとして、絶縁体106aまたは絶縁体106cよ
りも電子親和力の0.07eV以上1.3eV以下、好ましくは0.1eV以上0.7e
V以下、さらに好ましくは0.15eV以上0.4eV以下大きい酸化物を用いる。なお
、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。言い換えると、絶縁
体106aまたは絶縁体106cの伝導帯下端のエネルギー準位は、半導体106bの伝
導帯下端のエネルギー準位より真空準位に近い。
より電子親和力の大きい半導体106bにチャネルが形成される。
導体または絶縁体として機能させることができる物質からなる。しかしながら、半導体1
06bと積層させてトランジスタを形成する場合、電子は半導体106b、半導体106
bと絶縁体106aの界面近傍、および半導体106bと絶縁体106cの界面近傍を流
れ、絶縁体106aおよび絶縁体106cは当該トランジスタのチャネルとして機能しな
い領域を有する。このため、本明細書などにおいては、絶縁体106aおよび絶縁体10
6cを半導体と記載せず、絶縁体と記載するものとする。なお、絶縁体106aおよび絶
縁体106cを絶縁体と記載するのは、あくまで半導体106bと比較してトランジスタ
の機能上絶縁体に近い機能を有するためなので、絶縁体106aまたは絶縁体106cと
して、半導体106bに用いることができる物質を用いる場合もある。
bとの混合領域を有する場合がある。また、絶縁体106cと半導体106bとの間には
、絶縁体106cと半導体106bとの混合領域を有する場合がある。混合領域は、欠陥
準位密度が低くなる。そのため、絶縁体106a、半導体106bおよび絶縁体106c
の積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する(連続接合と
もいう。)バンド図となる。なお、絶縁体106aと半導体106b、または絶縁体10
6cと半導体106bは、それぞれの界面を明確に判別できない場合がある。
を主として移動する。上述したように、絶縁体106aと半導体106bとの界面、およ
び絶縁体106cと半導体106bとの界面における欠陥準位密度を低くすることによっ
て、半導体106b中で電子の移動が阻害されることが少なく、トランジスタのオン電流
を高くすることができる。
ることができる。例えば、電子の移動を阻害する要因のない場合、効率よく電子が移動す
ると推定される。電子の移動は、例えば、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合
にも阻害される。
面(被形成面、ここでは絶縁体106aの上面)の、1μm×1μmの範囲における二乗
平均平方根(RMS:Root Mean Square)粗さが1nm未満、好ましく
は0.6nm未満、さらに好ましくは0.5nm未満、より好ましくは0.4nm未満と
すればよい。また、1μm×1μmの範囲における平均面粗さ(Raともいう。)が1n
m未満、好ましくは0.6nm未満、さらに好ましくは0.5nm未満、より好ましくは
0.4nm未満とすればよい。また、1μm×1μmの範囲における最大高低差(P−V
ともいう。)が10nm未満、好ましくは9nm未満、さらに好ましくは8nm未満、よ
り好ましくは7nm未満とすればよい。RMS粗さ、RaおよびP−Vは、エスアイアイ
・ナノテクノロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムSPA−500などを用い
て測定することができる。
ど好ましい。絶縁体106cの厚さは、絶縁体106aの厚さより小さく、半導体106
bの厚さより小さいことが好ましい。例えば、10nm未満、好ましくは5nm以下、さ
らに好ましくは3nm以下の領域を有する絶縁体106cとすればよい。一方、絶縁体1
06cは、チャネルの形成される半導体106bへ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外
の元素(水素、シリコンなど)が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため
、絶縁体106cは、ある程度の厚さを有することが好ましい。例えば、0.3nm以上
、好ましくは1nm以上、さらに好ましくは2nm以上の厚さの領域を有する絶縁体10
6cとすればよい。
0nm以上、好ましくは20nm以上、さらに好ましくは40nm以上、より好ましくは
60nm以上の厚さの領域を有する絶縁体106aとすればよい。絶縁体106aの厚さ
を、厚くすることで、隣接する絶縁体と絶縁体106aとの界面からチャネルの形成され
る半導体106bまでの距離を離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下す
る場合があるため、例えば、200nm以下、好ましくは120nm以下、さらに好まし
くは80nm以下の厚さの領域を有する絶縁体106aとすればよい。
がある。したがって、半導体106bのシリコン濃度は低いほど好ましい。例えば、半導
体106bと絶縁体106aとの間に、二次イオン質量分析法(SIMS:Second
ary Ion Mass Spectrometry)において、1×1016ato
ms/cm3以上1×1019atoms/cm3以下、好ましくは1×1016ato
ms/cm3以上5×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは1×1016
atoms/cm3以上2×1018atoms/cm3以下のシリコン濃度となる領域
を有する。また、半導体106bと絶縁体106cとの間に、SIMSにおいて、1×1
016atoms/cm3以上1×1019atoms/cm3以下、好ましくは1×1
016atoms/cm3以上5×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは
1×1016atoms/cm3以上2×1018atoms/cm3以下のシリコン濃
度となる領域を有する。
cの水素濃度を低減すると好ましい。絶縁体106a及び絶縁体106cは、SIMSに
おいて、1×1016atoms/cm3以上2×1020atoms/cm3以下、好
ましくは1×1016atoms/cm3以上5×1019atoms/cm3以下、よ
り好ましくは1×1016atoms/cm3以上1×1019atoms/cm3以下
、さらに好ましくは1×1016atoms/cm3以上5×1018atoms/cm
3以下の水素濃度となる領域を有する。また、半導体106bの窒素濃度を低減するため
に、絶縁体106a及び絶縁体106cの窒素濃度を低減すると好ましい。絶縁体106
a及び絶縁体106cは、SIMSにおいて、1×1015atoms/cm3以上5×
1019atoms/cm3以下、好ましくは1×1015atoms/cm3以上5×
1018atoms/cm3以下、より好ましくは1×1015atoms/cm3以上
1×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは1×1015atoms/cm
3以上5×1017atoms/cm3以下の窒素濃度となる領域を有する。
106bは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い(酸素欠損の少ない)酸化物半導体
であり、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶことができる。高純
度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、キャリア発生源が少ないため、
キャリア密度を低くすることができる。従って、該酸化物半導体にチャネル領域が形成さ
れるトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性(ノーマリーオンともいう
。)になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導
体は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。また、高純度
真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、オフ電流が著しく小さく、チャネ
ル幅Wが1×106μmでチャネル長Lが10μmの素子であっても、ソース電極とドレ
イン電極間の電圧(ドレイン電圧)が1Vから10Vの範囲において、オフ電流が、半導
体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち1×10−13A以下という特性を得
ることができる。
域が形成されるトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタと
することができる。なお、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するま
でに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラ
ップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性
が不安定となる場合がある。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、またはアルカ
リ土類金属等がある。
合する酸素と反応して水になると共に、酸素が脱離した格子(または酸素が脱離した部分
)に酸素欠損を形成する。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成さ
れる場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアであ
る電子を生成することがある。特に酸素欠損にトラップされた水素は、半導体のバンド構
造に対して浅いドナー準位を形成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半
導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、絶縁体106
a、半導体106b及び絶縁体106cは水素ができる限り低減されていることが好まし
い。具体的には、絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106cにおいて、SIM
S分析により得られる水素濃度を、2×1020atoms/cm3以下、好ましくは5
×1019atoms/cm3以下、より好ましくは1×1019atoms/cm3以
下、5×1018atoms/cm3以下、好ましくは1×1018atoms/cm3
以下、より好ましくは5×1017atoms/cm3以下、さらに好ましくは1×10
16atoms/cm3以下とする。
あるシリコンや炭素が含まれると、絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106c
において酸素欠損が増加し、n型化してしまう。このため、絶縁体106a、半導体10
6b及び絶縁体106cにおけるシリコンや炭素の濃度と、絶縁体106a、半導体10
6b及び絶縁体106cとの界面近傍のシリコンや炭素の濃度(SIMS分析により得ら
れる濃度)を、2×1018atoms/cm3以下、好ましくは2×1017atom
s/cm3以下とする。
より得られるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/
cm3以下、好ましくは2×1016atoms/cm3以下にする。アルカリ金属及び
アルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トラン
ジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、絶縁体106a、半導体10
6b及び絶縁体106cのアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが
好ましい。
キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、窒素が
含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。
従って、該酸化物半導体膜において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、
例えば、SIMS分析により得られる窒素濃度は、5×1018atoms/cm3以下
にすることが好ましい。
は、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い(酸素欠損の少ない)酸化物であり、キャリ
ア密度が低い。このため、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電体108a
及び導電体108bとの間で接触抵抗が大きくなりやすい。そこで、本実施の形態に示す
トランジスタ10では、導電体108aまたは導電体108bと、絶縁体106a、半導
体106bまたは絶縁体106cと、が低抵抗領域107aまたは低抵抗領域107bを
介して接続されることにより、接触抵抗の抑制を図っている。
絶縁体116との界面近傍には、低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bが形成され
る。低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bでは、絶縁体116に含まれる元素が添
加され、当該元素によって欠陥が形成される。このような欠陥は、例えば、絶縁体116
から添加された元素によって、酸素が引き抜かれて酸素欠損が形成される、または絶縁体
116から添加された元素自体がキャリア発生源となることによって形成される。このよ
うな欠陥によってドナー準位が形成され、キャリア密度が増加するため、絶縁体116に
含まれる元素が添加された領域が、低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bとして機
能することになる。
半導体106bの低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bを除く領域(例えば、半導
体106bの導電体114と重なる領域)よりも、SIMS分析により得られる酸素濃度
が低くなる。
添加されているため、半導体106bの低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bを除
く領域(例えば、半導体106bの導電体114と重なる領域)よりも、SIMS分析に
より得られる当該元素の濃度が高くなる。
素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、
亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、イ
ンジウム、スズ、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタルまたはタングス
テンなどが好ましい。これらの元素は、比較的酸化物を形成しやすく、当該酸化物は半導
体または絶縁体として機能しうるため、絶縁体106a、半導体106bまたは絶縁体1
06cの添加元素として好適である。例えば、低抵抗領域107a及び低抵抗領域107
bに上記の元素が1×1014/cm2以上2×1016/cm2以下含まれることが好
ましい。また、絶縁体106cにおける低抵抗領域107aと低抵抗領域107bは、絶
縁体106cの低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bではない領域(例えば、絶縁
体106cの導電体114と重なる領域)より、上述の元素の濃度が高い。
化させることができるので、半導体106bの低抵抗領域107a及び低抵抗領域107
bを除く領域(例えば、半導体106bの導電体114と重なる領域)よりも、SIMS
分析により得られる窒素濃度が高くなる。
体108a又は導電体108bと絶縁体106a、半導体106b又は絶縁体106cと
の接触抵抗を低減することが可能となるのでトランジスタ10のオン電流を増大させるこ
とができる。
12のチャネル長方向の側面端部は概略一致していることが好ましい。このような構成と
することにより、低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bと、半導体106bの導電
体114と重なる領域(チャネル形成領域)とが概略接するため、オン電流の向上を図る
ことができる。
よって包み込まれるように設けられている。よって、半導体106bの側面端部、特にチ
ャネル幅方向の側面端部近傍が、絶縁体106a及び絶縁体106cと接して設けられて
いる。これにより、半導体106bの側面端部近傍において、絶縁体106a又は絶縁体
106cとの間に連続接合が形成され、欠陥準位密度が低減される。よって、低抵抗領域
107a及び低抵抗領域107bを設けることによりオン電流が流れやすくなっても、半
導体106bのチャネル幅方向の側面端部が寄生チャネルとならず、安定した電気特性を
得ることができる。
ある。例えば、絶縁体106aまたは絶縁体106cのいずれか一方を設けない2層構造
としてもよい。また、絶縁体106aまたは絶縁体106cの両方を設けない単層構造と
してもよい。または、絶縁体106a、半導体106bまたは絶縁体106cとして例示
した絶縁体、半導体又は導電体のいずれかを有するn層構造(nは4以上の整数)として
も構わない。
物半導体の詳細については、実施の形態5で詳細に説明する。
以下に、トランジスタ10の半導体以外の各構成要素について詳細な説明を行う。
縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア
基板(イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などがある。また、半導体基板
としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン
、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムな
どの半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導
体基板、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板などがある。
導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。また
は、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁
体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設け
られた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、こ
れらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容
量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の
基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板1
00に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離
層を設けるとよい。なお、基板100として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは
箔などを用いてもよい。また、基板100が伸縮性を有してもよい。また、基板100は
、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の
形状に戻らない性質を有してもよい。基板100の厚さは、例えば、5μm以上700μ
m以下、好ましくは10μm以上500μm以下、さらに好ましくは15μm以上300
μm以下とする。基板100を薄くすると、半導体装置を軽量化することができる。また
、基板100を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折
り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落
下などによって基板100上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即
ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
またはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板100は、線膨
張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板100と
しては、例えば、線膨張率が1×10−3/K以下、5×10−5/K以下、または1×
10−5/K以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポ
リオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネート
、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基
板100として好適である。
6a、半導体106b及び絶縁体106c近傍に設けられる絶縁体中の水素や水は、酸化
物半導体を含む絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106c中にキャリアを生成
する要因の一つとなる。これによりトランジスタ10の信頼性が低下するおそれがある。
特に基板100としてスイッチ素子などのシリコン系半導体素子を設けた基板を用いる場
合、当該半導体素子のダングリングボンドを終端するために水素が用いられ、当該水素が
トランジスタ10まで拡散するおそれがある。これに対して水素又は水をブロックする機
能を有する絶縁体101を設けることによりトランジスタ10の下層から水素又は水が拡
散するのを抑制し、トランジスタ10の信頼性を向上させることができる。
が絶縁体104から拡散する酸素をブロックすることにより、絶縁体104から絶縁体1
06a、半導体106b及び絶縁体106cに効果的に酸素を供給することができる。
ウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、
酸化窒化ハフニウム等を用いることができる。これらを絶縁体101として用いることに
より、酸素、水素又は水の拡散をブロックする効果を示す絶縁膜として機能することがで
きる。また、絶縁体101としては、例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン等を用い
ることができる。これらを絶縁体101として用いることにより、水素、水の拡散をブロ
ックする効果を示す絶縁膜として機能することができる。
おいて半導体106bと重なることが好ましい。導電体102は、トランジスタ10のバ
ックゲートとして機能する。このような導電体102を設けることにより、トランジスタ
10のしきい値電圧の制御を行うことができる。しきい値電圧の制御を行うことによって
、トランジスタ10のゲート(導電体114)に印加された電圧が低い、例えば印加され
た電圧が0V以下のときに、トランジスタ10が導通状態となることを防ぐことができる
。つまり、トランジスタ10の電気特性を、よりノーマリーオフの方向にシフトさせるこ
とが容易になる。
ジスタ10のゲートとして機能する導電体114と接続される構成としてもよい。
ミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イッ
トリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルお
よびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば
、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電
体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタン
および窒素を含む導電体などを用いてもよい。
本実施の形態に示す半導体装置の構成はこれに限られるものではなく、例えば、導電体1
02及び絶縁体103を設けない構成としてもよい。
アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウ
ム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単
層で、または積層で用いればよい。例えば、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを有す
ることが好ましい。
P:Chemical Mechanical Polishing)法などによって平
坦化処理を行って平坦性の向上を図ることが好ましい。これにより、バックゲートとして
機能する導電体102を設けても、半導体106bを形成する面の平坦性が損なわれない
ため、キャリアの移動度を向上させ、トランジスタ10のオン電流を増大させることがで
きる。
施の形態に示す半導体装置の構成はこれに限られるものではなく、例えば、導電体102
を覆うように絶縁体103を設ける構成としてもよい。その場合、絶縁体103は、酸素
をブロックする機能を有することが好ましい。このような絶縁体103を設けることによ
り、導電体102の酸化を防ぐ、言い換えると絶縁体104から導電体102が酸素を引
き抜くことを防ぐことができる。これにより、絶縁体104から絶縁体106a、半導体
106b及び絶縁体106cに効果的に酸素を供給することができる。
縁体104は絶縁体101より酸素を透過させやすいことが好ましい。このような絶縁体
104を設けることにより、絶縁体104から絶縁体106a、半導体106b及び絶縁
体106cに酸素を供給することができる。当該酸素により、酸化物半導体である半導体
106bの欠陥となる酸素欠損を低減することができる。これにより、半導体106bの
欠陥準位密度を低減し、半導体106bを安定な特性を有する酸化物半導体とすることが
できる。
る酸素をいう。または、過剰酸素とは、例えば、加熱することで当該過剰酸素が含まれる
膜又は層から放出される酸素をいう。過剰酸素は、例えば、膜や層の内部を移動すること
ができる。過剰酸素の移動は、膜や層の原子間を移動する場合や、膜や層を構成する酸素
と置き換わりながら玉突き的に移動する場合などがある。
アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウ
ム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単
層で、または積層で用いればよい。例えば、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを有す
ることが好ましい。
esorption Spectroscopy)分析にて、100℃以上700℃以下
または100℃以上500℃以下の表面温度の範囲で、酸素分子の脱離量が1.0×10
14molecules/cm2以上1.0×1016molecules/cm2以下
、より好ましくは、1.0×1015molecules/cm2以上5.0×1015
molecules/cm2以下となる領域を有することが好ましい。
比例する。そして標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。
び測定試料のTDS分析結果から、測定試料の酸素分子の放出量(NO2)は、下に示す
式で求めることができる。ここで、TDS分析で得られる質量電荷比32で検出されるガ
スの全てが酸素分子由来と仮定する。CH3OHの質量電荷比は32であるが、存在する
可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数17
の酸素原子および質量数18の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在
比率が極微量であるため考慮しない。
試料をTDS分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、
NH2/SH2とする。SO2は、測定試料をTDS分析したときのイオン強度の積分値
である。αは、TDS分析におけるイオン強度に影響する係数である。上に示す式の詳細
に関しては、特開平6−275697公報を参照する。なお、上記酸素の放出量は、電子
科学株式会社製の昇温脱離分析装置EMD−WA1000S/Wを用い、標準試料として
一定量の水素原子を含むシリコン基板を用いて測定する。
原子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素
分子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量に
ついても見積もることができる。
子の放出量の2倍となる。
には、過酸化ラジカルに起因するスピン密度が、5×1017spins/cm3以上で
あることをいう。なお、過酸化ラジカルを含む絶縁体は、電子スピン共鳴法(ESR:E
lectron Spin Resonance)にて、g値が2.01近傍に非対称の
信号を有することもある。
。また、絶縁体104は、水素トラップを有する絶縁体としてもよい。
ため、絶縁体104の上面にCMP法などによって平坦化処理を行って平坦性の向上を図
ってもよい。
絶縁体104と同様に過剰酸素を有する絶縁体としてもよい。このような絶縁体112を
設けることにより、絶縁体112から絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106
cに酸素を供給することができる。これにより、半導体106bの欠陥準位密度を低減し
、半導体106bを安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。
アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウ
ム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単
層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体112としては、酸化アルミニウム、
酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン
、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタ
ン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロ
ム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム
、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種
以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であって
もよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを
含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体
などを用いてもよい。
は概略一致していることが好ましい。このような構造とすることにより、低抵抗領域10
7a及び低抵抗領域107bと、半導体106bの導電体114と重なる領域(チャネル
形成領域)とが概略接する、もしくは一部が重なるため、オン電流の向上を図ることがで
きる。
半導体106b及び絶縁体106cに元素を添加する機能を有する。上述の通り、絶縁体
116は、絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106cの界面近傍に元素を添加
し、低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bを形成する。これにより、導電体108
a又は導電体108bと絶縁体106a、半導体106b又は絶縁体106cとの接触抵
抗を低減することが可能となるのでトランジスタ10のオン電流を増大させることができ
る。
絶縁体118を設けることにより、絶縁体104から絶縁体106a、半導体106b及
び絶縁体106cに酸素を供給する際に、当該酸素が絶縁体104の上方に外部放出され
てしまうことを防ぐことができる。これにより、絶縁体104から絶縁体106a、半導
体106b及び絶縁体106cに効果的に酸素を供給することができる。ここで絶縁体1
16の膜厚としては、例えば5nm以上、又は20nm以上とすることができる。また、
絶縁体116は、スパッタリング法などを用いて成膜することが好ましい。
タン、バナジウム、クロム、ニッケル、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、
ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、インジウム、スズ、ランタン、セリウム、ネオジム
、ハフニウム、タンタルまたはタングステンなどの元素のうち一または複数を含む、酸化
物、酸化窒化物、窒化酸化物または窒化物を用いることができる。なお、本明細書中にお
いて、酸化窒化物とは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化
酸化物とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。
て機能しうるため、絶縁体106a、半導体106bまたは絶縁体106cの添加元素と
して好適である。
チタン、ニッケル、亜鉛、ガリウム、モリブデン、インジウム、スズ、タングステンなど
は窒化物または窒化酸化物が物性または構造が安定になりやすいため好適である。
を用いることが好ましい。酸化アルミニウムは、酸素、および水素、水分などの不純物の
両方に対して膜を透過させない遮断効果が高いので絶縁体116として用いるのに好適で
ある。
ックする効果を有することが好ましい。このような絶縁体としては、例えば、窒化物絶縁
膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、
窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。なお、窒化物絶縁膜の代わりに、酸
素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸化物絶縁膜
としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム
、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等が
ある。
ができる酸化物を用いることもできる。このような絶縁体116としては、Inを含む酸
化絶縁物を用いることが好ましく、例えば、In−Al酸化物、In−Ga酸化物、In
−Ga−Zn酸化物を用いればよい。Inを含む酸化絶縁物はスパッタリング法で成膜す
る際に発生するパーティクル数が少ないので、絶縁体116として用いるのに好適である
。
、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、ア
ルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、
ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いてもよい。
ドレイン電極のいずれかとして機能する。
シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、
亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウ
ム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で
用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅お
よびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素
を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
絶縁体118上の配線と接続させる構成としてもよい。この場合、絶縁体118、導電体
108a及び導電体108bの上面を、CMP法などを用いて平坦化処理し、平坦性を向
上させることが好ましい。
ることができる。または、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することが
できる。または、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。または、ノー
マリーオフの電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、サブスレ
ッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することができる。または、信頼性の
高いトランジスタを提供することができる。
以下、トランジスタ10の変形例について図2及び図3を用いて説明する。なお、図2
及び図3は、図1(B)(C)と同様に、トランジスタのチャネル長方向の断面図とトラ
ンジスタのチャネル幅方向の断面図になる。なお、以下に示すトランジスタ10の変形例
の各構成は互いに適宜組み合わせて用いることができる。
6bの側面端部が概略一致して形成されている点において、トランジスタ10と異なる。
ここで、絶縁体106aの膜厚が、絶縁体106cと絶縁体112の膜厚の和より大きい
ことが好ましい。このような構成とすることにより、半導体106bのチャネル幅方向の
側面の概略全体を、絶縁体106cと絶縁体112を介して、導電体114と対向させる
ことができる。
を電気的に取り囲むことができる(導電体から生じる電界によって、半導体を電気的に取
り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(s−chann
el)構造とよぶ。)。そのため、半導体106bの全体にチャネルが形成される場合が
ある。s−channel構造では、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流す
ことができ、オン電流を高くすることができる。
もチャネルが形成される。したがって、半導体106bが厚いほどチャネル領域は大きく
なる。即ち、半導体106bが厚いほど、トランジスタのオン電流を高くすることができ
る。また、半導体106bが厚いほど、キャリアの制御性の高い領域の割合が増えるため
、サブスレッショルドスイング値を小さくすることができる。例えば、10nm以上、好
ましくは20nm以上、さらに好ましくは30nm以上、より好ましくは50nm以上の
厚さの領域を有する半導体106bとすればよい。ただし、半導体装置の生産性が低下す
る場合があるため、例えば、300nm以下、好ましくは200nm以下、さらに好まし
くは150nm以下の厚さの領域を有する半導体106bとすればよい。なお、チャネル
形成領域が縮小していくと、半導体106bが薄いほうがトランジスタの電気特性が向上
する場合もある。よって、半導体106bの厚さが10nm未満であってもよい。
に適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導
体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、
トランジスタは、チャネル長が好ましくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下
、より好ましくは20nm以下の領域を有し、かつ、トランジスタは、チャネル幅が好ま
しくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下の領
域を有する。
端部と絶縁体112のチャネル長方向の側面端部は概略一致しているが、本実施の形態に
示す構成はこれに限られるものではない。例えば、図2(C)(D)に示すトランジスタ
13のように、導電体114のチャネル長方向の幅が絶縁体112のチャネル長方向の幅
より小さい構成としてもよい。
が形成されている点において、トランジスタ10と異なる。絶縁体104の膜厚が大きい
領域のチャネル幅方向の側面端部は、半導体106bのチャネル幅方向の側面端部より内
側に位置することが好ましい。言い換えると、絶縁体104は凸部を有しており、上面か
ら見たとき当該凸部の外周は、半導体106bの外周よりも内側に位置する。また、絶縁
体104の膜厚が大きい領域のチャネル幅方向の側面端部は、絶縁体106aの膜厚と同
程度、半導体106bのチャネル幅方向の側面端部より内側に位置することがより好まし
い。ここで、絶縁体104の膜厚の大きい領域と膜厚の小さい領域の膜厚の差が、絶縁体
106cと絶縁体112の膜厚の和より大きいことが好ましい。このような構成とするこ
とにより、半導体106bのチャネル幅方向の側面の概略全体を、絶縁体106cと絶縁
体112を介して、導電体114と対向させることができる。
、s−channel構造とすることができる。よって、トランジスタ14でソース−ド
レイン間に大電流を流すことができ、オン電流を高くすることができる。
チャネル長方向に伸長されて設けられているが、本実施の形態に示す構成はこれに限られ
るものではない。例えば、図3(C)に示すように、絶縁体104の膜厚が大きい領域の
チャネル長方向の側面端部が、半導体106bのチャネル長方向の側面端部より内側に位
置する構成としてもよい。
合わせて用いることができる。
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法について、図4及び図
5を用いて説明する。
以下において、図1に示すトランジスタ10の作製方法について説明する。
ばよい。
Vapor Deposition)法、分子線エピタキシー(MBE:Molecu
lar Beam Epitaxy)法またはパルスレーザ堆積(PLD:Pulsed
Laser Deposition)法、原子層堆積(ALD:Atomic Lay
er Deposition)法などを用いて行うことができる。
Enhanced CVD)法、熱を利用する熱CVD(TCVD:Thermal C
VD)法、光を利用する光CVD(Photo CVD)法などに分類できる。さらに用
いる原料ガスによって金属CVD(MCVD:Metal CVD)法、有機金属CVD
(MOCVD:Metal Organic CVD)法に分けることができる。
を用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法であ
る。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子(トランジスタ、容量素子など)な
どは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄
積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合があ
る。一方、プラズマを用いないTCVD法の場合、こういったプラズマダメージが生じな
いため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、TCVD法では、成膜中
のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
である。よって、ALD法を用いることにより、欠陥の少ない膜が得られる。
は異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがっ
て、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特
に、ALD法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比
の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。またこれにより、成膜した膜にピ
ンホールなどが形成されにくくなる。ただし、ALD法は、比較的成膜速度が遅いため、
成膜速度の速いCVD法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合も
ある。
ことができる。例えば、CVD法およびALD法では、原料ガスの流量比によって、任意
の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、CVD法およびALD法では、成膜
しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜
することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用
いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間の分、成膜に掛かる時間を短く
することができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。
複数種がチャンバーに同時に供給される。ALD法を利用した成膜装置は、反応のための
原料ガス(プリカーサとも呼ぶ)と反応剤として機能するガス(リアクタントとも呼ぶ)
を交互にチャンバーに導入し、これらのガスの導入を繰り返すことで成膜を行う。なお、
導入ガスの切り替えは、例えば、それぞれのスイッチングバルブ(高速バルブとも呼ぶ)
を切り替えて行うことができる。
板表面にプリカーサを吸着させる(第1ステップ)。ここで、プリカーサが基板表面に吸
着することにより、表面化学反応の自己停止機構が作用し、基板上のプリカーサの層の上
にさらにプリカーサが吸着することはない。なお、表面化学反応の自己停止機構が作用す
る基板温度の適正範囲をALD Windowとも呼ぶ。ALD Windowは、プリ
カーサの温度特性、蒸気圧、分解温度などによって決まる。次に、不活性ガス(アルゴン
、或いは窒素など)などをチャンバーに導入し、余剰なプリカーサや反応生成物などをチ
ャンバーから排出する(第2ステップ)。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気
によって、余剰なプリカーサや反応生成物などをチャンバーから排出してもよい。次に、
リアクタント(例えば、酸化剤(H2O、O3など))をチャンバーに導入し、基板表面
吸着したプリカーサと反応させて、膜の構成分子を基板に吸着させたままプリカーサの一
部を除去する(第3ステップ)。次に、不活性ガスの導入または真空排気によって、余剰
なリアクタントや反応生成物などをチャンバーから排出する(第4ステップ)。
プを再び行うことで、第1の単一層の上に第2の単一層を積層することができる。第1乃
至第4ステップを、ガス導入を制御しつつ、膜が所望の厚さになるまで複数回繰り返すこ
とで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、繰り返す回数に
よって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なトランジスタを
作製する場合に適している。
に、上記のリアクタントの反応において、プラズマを用いてリアクタントをラジカル状態
として処理を行うALD法をプラズマALD法と呼ぶことがある。またこれに対して、プ
リカーサ及びリアクタントの反応を熱エネルギーで行うALD法を熱ALD法と呼ぶこと
がある。
面に対しても、表面被覆率が高い。
膜が可能となる。プラズマALD法は、例えば、100℃以下でも成膜速度を低下させず
に成膜することができる。また、プラズマALD法では、酸化剤だけでなく、窒素ガスな
ど多くのリアクタントを用いることができるので、酸化物だけでなく、窒化物、フッ化物
、金属など多くの種類の膜を成膜することができる。
led Plasma)などのように基板から離れた状態でプラズマを発生させることも
できる。このようにプラズマを発生させることにより、プラズマダメージを抑えることが
できる。
絶縁体103の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD
法などを用いて行うことができる。
、単にレジストを形成するという場合、レジストの下に反射防止層を形成する場合も含ま
れる。
どの除去には、プラズマ処理または/およびウェットエッチングを用いる。なお、プラズ
マ処理としては、プラズマアッシングが好適である。レジストなどの除去が不十分な場合
、0.001重量%以上1重量%以下の濃度のフッ化水素酸または/およびオゾン水など
によって取り残したレジストなどを除去しても構わない。
述の導電体を用いることができる。導電体102となる導電体の成膜は、スパッタリング
法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。
その結果、絶縁体103に形成された開口の中のみに、導電体102が残存する。
の絶縁体を用いればよい。絶縁体104の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE
法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。
のため、絶縁体104の上面にCMP法などの平坦化処理を行って平坦性の向上を図って
もよい。
絶縁体106aとして用いることができる絶縁体、半導体又は導電体を用いればよい。当
該絶縁体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法な
どを用いて行うことができる。
ましく、酸素を含む雰囲気下でスパッタリング法を用いて行うことがより好ましい。また
、スパッタリング法を用いる際に、平行平板型のスパッタリング装置を用いてもよいし、
対向ターゲット式のスパッタリング装置を用いてもよい。後述するが、対向ターゲット式
のスパッタリング装置を用いた成膜では、被形成面へのダメージが小さくできるため、結
晶性の高い膜を得やすい。よって後述するCAAC−OSの成膜には、対向ターゲット式
のスパッタリング装置を用いることが好ましい場合がある。
ectrode sputtering)と呼ぶこともできる。また、対向ターゲット式
スパッタリング装置を用いた成膜法を、VDSP(vapor deposition
sputtering)と呼ぶこともできる。
に絶縁体104の表面(絶縁体106a形成後は絶縁体106aと絶縁体104の界面)
近傍に酸素が添加されることがある。ここで、酸素は、例えば、酸素ラジカルとして絶縁
体104に添加されるが、酸素が添加されるときの状態はこれに限定されない。当該酸素
は、酸素原子、又は酸素イオンなどの状態で絶縁体104に添加されてもよい。このよう
に酸素を絶縁体104に添加することにより、絶縁体104に過剰酸素を含ませることが
できる。
されることがある。混合領域では、絶縁体104を構成する成分と絶縁体106aとなる
絶縁体を構成する成分が含まれている。
半導体106bとして用いることができる半導体を用いればよい。当該半導体の成膜は、
スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うこと
ができる。また、PESP法又はVDSP法で成膜することもできる。なお、絶縁体10
6aとなる絶縁体の成膜と、半導体106bとなる半導体の成膜と、を大気に暴露するこ
となく連続で行うことで、膜中および界面への不純物の混入を低減することができる。
ノンなど)と酸素との混合ガスを用いると好ましい。例えば、全体に占める酸素の割合を
50体積%未満、好ましくは33体積%以下、さらに好ましくは20体積%以下、より好
ましくは15体積%以下とすればよい。
温度を高くすることで、基板上面におけるスパッタ粒子のマイグレーションを助長させる
ことができる。したがって、より密度が高く、より結晶性の高い酸化物を成膜することが
できる。なお、基板の温度は、例えば、100℃以上450℃以下、好ましくは150℃
以上400℃以下、さらに好ましくは170℃以上350℃以下とすればよい。
縁体106aおよび半導体106bの水素濃度を低減させることができる場合がある。ま
た、後の工程で形成する絶縁体106aおよび半導体106bの酸素欠損を低減させるこ
とができる場合がある。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは450℃以
上600℃以下、さらに好ましくは520℃以上570℃以下で行えばよい。加熱処理は
、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを10ppm以上、1%以上もしくは10%以上
含む雰囲気で行う。加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、不活性ガ
ス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上、
1%以上または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理によって、後
の工程で形成する絶縁体106aおよび半導体106bの結晶性を高めることや、水素や
水などの不純物を除去することなどができる。加熱処理は、ランプ加熱によるRTA装置
を用いることもできる。
6bとなる半導体に酸素を供給することができる。絶縁体104に対して加熱処理を行う
ことにより、極めて容易に酸素を絶縁体106aとなる絶縁体、及び半導体106bとな
る半導体に供給することができる。
が絶縁体104の下に設けられていることにより、絶縁体104中に拡散した酸素が絶縁
体104より下層に拡散することを防ぐことができる。
給し、酸素欠損を低減させることにより、欠陥準位密度の低い、高純度真性または実質的
に高純度真性な酸化物半導体とすることができる。
て生成すればよい。高密度プラズマ処理では、例えば、酸素、亜酸化窒素などの酸化性ガ
スを用いればよい。または、酸化性ガスと、He、Ar、Kr、Xeなどの希ガスと、の
混合ガスを用いてもよい。高密度プラズマ処理において、基板にバイアスを印加してもよ
い。これにより、プラズマ中の酸素イオンなどを基板側に引き込むことができる。高密度
プラズマ処理は基板を加熱しながら行ってもよい。例えば、上記加熱処理の代わりに高密
度プラズマ処理を行う場合、上記加熱処理の温度より低温で同様の効果を得ることができ
る。高密度プラズマ処理は、絶縁体106aとなる絶縁体の成膜前に行ってもよいし、絶
縁体112の成膜後に行ってもよいし、絶縁体116の成膜後などに行ってもよい。
て加工し、半導体106bを形成する。なお、図4(C)(D)に示すように、半導体1
06bの形成時に、絶縁体106aの露出した表面が除去される場合がある。
絶縁体、半導体又は導電体を用いればよい。当該絶縁体の成膜は、スパッタリング法、C
VD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。また、PE
SP法又はVDSP法で成膜することもできる。
て加工し、絶縁体106a及び絶縁体106cを形成する(図4(C)(D)参照)。な
お、図4(C)(D)に示すように、絶縁体106a及び絶縁体106cの形成時に、絶
縁体104の露出した表面が除去される場合がある。
面端部の外側に位置するようにパターン形成を行う。特に、図4(D)に示すように、絶
縁体106a及び絶縁体106cのチャネル幅方向の側面端部が、半導体106bのチャ
ネル幅方向の側面端部の外側に位置するようにパターン形成を行うことが好ましい。この
ように絶縁体106a及び絶縁体106cを形成することにより、半導体106bが絶縁
体106a及び絶縁体106cに包み込まれる構造となる。
側面端部近傍が、絶縁体106a及び絶縁体106cと接して設けられている。これによ
り、半導体106bの側面端部近傍において、絶縁体106a又は絶縁体106cとの間
に連続接合が形成され、欠陥準位密度が低減される。よって、低抵抗領域107a及び低
抵抗領域107bを設けることによりオン電流が流れやすくなっても、半導体106bの
チャネル幅方向の側面端部が寄生チャネルとならず、安定した電気特性を得ることができ
る。
縁体112として用いることができる絶縁体を用いればよい。当該絶縁体の成膜は、スパ
ッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことがで
きる。
導電体114に用いることができる導電体を用いればよい。当該導電体の成膜は、スパッ
タリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができ
る。
加工し、絶縁体112及び導電体114を形成する(図4(E)(F)参照。)。ここで
、導電体114のチャネル長方向の側面端部と絶縁体112のチャネル長方向の側面端部
は概略一致するように形成した後で、同じマスクを用いてウェットエッチングなどによっ
て、導電体114のみを選択的にエッチングしてもよい。このようにエッチングすること
で、図2(C)(D)に示すトランジスタ13のように、導電体114のチャネル長方向
の幅が絶縁体112のチャネル長方向の幅より小さい構成とすることができる。
述の絶縁体を用いればよい。絶縁体116の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MB
E法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。絶縁体116を成膜する
ことにより、絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106cの絶縁体116との界
面近傍に低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bが形成される。
ーゲットを用いてもよい。金属ターゲットを用いて成膜する場合、酸素の流量を、金属タ
ーゲットに含まれる元素からなる膜が成膜される酸素流量と、金属ターゲットに含まれる
元素を含む化学量論的組成を満たした酸化膜が成膜される酸素流量と、の間の酸素流量に
なるようにすることが好ましい。このような酸素流量で成膜することにより、絶縁体11
6を、亜酸化物からなる酸化膜とすることができるので、絶縁体106a、半導体106
b及び絶縁体106c中の酸素を引き抜き、容易に低抵抗領域107a及び低抵抗領域1
07bを形成することができる。ここで、亜酸化物は、酸化物ができる反応過程の中間体
である。よって、亜酸化物は、酸化物より酸素が欠乏している。具体的には、酸化物と比
較して、酸素濃度が、1原子%以上、2原子%以上、5原子%以上または10原子%以上
低くなるものを亜酸化物とする。
れる酸素濃度が低いことが好ましい。成膜雰囲気中の酸素濃度を低くすることにより、絶
縁体106a、半導体106b及び絶縁体106cに酸素欠損が形成されやすくなり、容
易に低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bを形成することができる。例えば、半導
体106bの成膜雰囲気の酸素濃度より低くすればよく、全体に占める酸素の割合を、5
体積%未満、好ましくは2体積%未満、さらに好ましくは1体積%未満、より好ましくは
0.5体積%未満とすればよい。また、酸化物ターゲットを用いて成膜する場合、酸素を
用いない雰囲気で絶縁体116を成膜してもよい。この場合、例えば、希ガス(アルゴン
、クリプトン、キセノンなど)を成膜ガスとして用いて成膜すればよい。
温度を高くすることで、絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106cに対する、
絶縁体116に含まれる元素の添加を助長させることができる。なお、基板の温度は、例
えば、100℃以上450℃以下、好ましくは150℃以上400℃以下、さらに好まし
くは170℃以上350℃以下とすればよい。
により、絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106cに窒素が添加され、n型化
させることができるため好適である。
、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウ
ム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、インジウム、スズ、ランタン、セリウム、ネオ
ジム、ハフニウム、タンタルまたはタングステンなどを含む酸化物、酸化窒化物、窒化酸
化物または窒化物を、反応性スパッタリング法などを用いて直接成膜してもよいし、上述
の元素を含む膜を成膜した後で熱処理を行って、上述の元素を含む酸化物または酸化窒化
物としてもよい。熱処理温度は、例えば、250℃以上650℃以下、好ましくは350
℃以上450℃以下で行えばよい。
(AlOx)を用いることが好ましい。酸化アルミニウムは、酸素、水素、水等に対して
ブロッキング効果を有する。
ができる酸化物を用いることもできる。このような絶縁体116としては、Inを含む酸
化絶縁物を用いることが好ましく、例えば、In−Al酸化物、In−Ga酸化物、In
−Ga−Zn酸化物を用いればよい。Inを含む酸化絶縁物はスパッタリング法で成膜す
る際に発生するパーティクル数が少ないので、絶縁体116として用いるのに好適である
。
アルゴン、クリプトンまたはキセノン)を添加して、低抵抗領域107a及び低抵抗領域
107bをさらに低抵抗化してもよい。さらに、このように添加することにより、絶縁体
116に含まれる元素を絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106cに押し込む
(ノックオンする)ことができる。添加方法としては、例えば、イオン注入法、イオンド
ーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることがで
きる。
から、絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106cに酸素を供給することができ
る。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは350℃以上450℃以下で行
えばよい。加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを10ppm以上、1%以
上もしくは10%以上含む雰囲気で行う。加熱処理は減圧状態で行ってもよい。加熱処理
は、ランプ加熱によるRTA装置を用いることもできる。
度が好ましい。半導体106bとなる半導体の成膜後の加熱処理との温度差は、20℃以
上150℃以下、好ましくは40℃以上100℃以下とする。これにより、絶縁体104
などから余分に過剰酸素(酸素)が放出することを抑えることができる。なお、絶縁体1
16成膜後の加熱処理は、同等の加熱処理を各層の成膜時の加熱によって兼ねることがで
きる場合(例えば絶縁体116の成膜で同等の加熱が行われる場合)、行わなくてもよい
場合がある。
る機能を有する絶縁体101及び絶縁体116に包まれているので、酸素が外方拡散する
ことを防ぐことができる。これにより、絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体10
6c、特に半導体106bでチャネルが形成される領域に酸素を効果的に供給することが
できる。このように絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106cに酸素を供給し
、酸素欠損を低減させることにより、欠陥準位密度の低い、高純度真性または実質的に高
純度真性な酸化物半導体とすることができる。
絶縁体118の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD
法などを用いて行うことができる。
106cに開口を形成する。それから、導電体108a及び導電体108bとなる導電体
を成膜する。導電体108a及び導電体108bとなる導電体としては、上述の導電体を
用いることができる。当該導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法また
はPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。
レジストなどを用いて加工し、導電体108a及び導電体108bを形成する(図5(C
)(D)参照)。
Poly Silicon)を用いてgate first方式で作製されるトップゲ
ート構造のトランジスタのラインにおいて、LTPSを酸化物半導体で容易に置き換える
ことが可能となる。ここで、gate first方式とは、トランジスタ製造工程にお
いてソース領域、ドレイン領域の形成前にゲートを作製する方式のことを指す。
ることができる。または、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することが
できる。または、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。または、ノー
マリーオフの電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、サブスレ
ッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することができる。または、信頼性の
高いトランジスタを提供することができる。
合わせて用いることができる。
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成について、図6乃至図8を
用いて説明する。
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置の一例としてトランジスタの構成について
説明する。
はトランジスタ20の上面図である。図6(B)は図6(A)の一点鎖線A1−A2に対
応する断面図である。図6(C)は図6(A)の一点鎖線A3−A4に対応する断面図で
ある。なお、一点鎖線A1−A2で示す領域では、トランジスタ20のチャネル長方向に
おける構造を示しており、一点鎖線A3−A4で示す領域では、トランジスタ20のチャ
ネル幅方向における構造を示している。
106cと、絶縁体112と、絶縁体115と、絶縁体116と、を有する。半導体10
6bは、絶縁体106a上に配置され、絶縁体106cは、半導体106b上に配置され
、絶縁体112は、絶縁体106c上に配置され、導電体114は、絶縁体112上に配
置され、絶縁体115は、導電体114の側面と接して配置される。絶縁体116は、導
電体114上及び絶縁体115上に配置され、絶縁体115及び絶縁体116は、絶縁体
106cの上面と接する領域を有し、半導体106bは、絶縁体106cおよび絶縁体1
12を介して導電体114と重なる領域を有する。図6(A)に示すように上面から見た
とき、絶縁体106aの外周および絶縁体106cの外周が、半導体106bの外周より
も外側にある。ここで、トランジスタ20は、絶縁体115が設けられている点において
、先の実施の形態に示すトランジスタ10と異なる。
形成された絶縁体101、導電体102、絶縁体103及び絶縁体104と、絶縁体10
4の上に形成された絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106cと、絶縁体10
6cの上に形成された絶縁体112、絶縁体115及び導電体114と、導電体114及
び絶縁体115の上に形成された絶縁体116、絶縁体118、導電体108a及び導電
体108bと、を有する。
絶縁体106c、絶縁体112、絶縁体116、絶縁体118、導電体102、導電体1
08a、導電体108b、導電体114及び半導体106bは、先の実施の形態に示すも
のと同様のものを用いることができる。よって、詳細については先の実施の形態の記載を
参酌することができる。
に埋め込まれるように導電体102が形成されている。絶縁体103及び導電体102上
に絶縁体104が形成されている。ここで、絶縁体101は酸素、水素、水等に対してブ
ロッキング効果を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、絶縁体104は酸素を含
む絶縁体を用いることが好ましい。
本実施の形態に示す半導体装置の構成はこれに限られるものではなく、例えば、図6(D
)(E)に示すように、導電体102及び絶縁体103を設けない構成としてもよい。
106bが形成され、絶縁体106aの上面と半導体106bの上面に接して絶縁体10
6cが形成される。ここで、半導体106bは少なくとも一部が、導電体102と重なる
ように形成されることが好ましい。半導体106bの側面端部、特にチャネル幅方向の側
面端部が、絶縁体106a及び絶縁体106cと接して設けられている。さらに、絶縁体
106aの側面端部、特にチャネル幅方向の側面端部と、絶縁体106cの側面端部、特
にチャネル幅方向の側面端部と、が概略一致する形状となっている。このようにトランジ
スタ20は、半導体106bが絶縁体106a及び絶縁体106cに包み込まれるように
設けられている。
側面端部より内側に位置するようにパターン形成することにより、絶縁体104が絶縁体
106aまたは半導体106bのエッチングとともにエッチングされる回数を削減するこ
とができる。また、絶縁体104表面のエッチング箇所を導電体102から遠くにするこ
とができるので、トランジスタ20の耐圧性の向上にもつながる。
部とが概略一致する形状となっているが、本実施の形態に示すトランジスタはこれに限ら
れるものではない。例えば、絶縁体106aの外周が絶縁体106cの外周より外側に位
置してもよいし、絶縁体106cの外周が絶縁体106aの外周より外側に位置してもよ
い。
106cは、領域126a、領域126b及び領域126cが形成されており、領域12
6b及び領域126cは領域126aと比較してドーパントの濃度が高く、低抵抗化され
ている。ここで、絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106cにおいて、領域1
26aは導電体114と概略重なる領域であり、領域126b及び領域126cは、領域
126aを除いた領域である。ただし、領域126aと領域126bの境界および領域1
26aと領域126cの境界は、領域126a乃至領域126cを形成する際のドーパン
トの添加状態などによって変化しうる。また、領域126b及び領域126cの一部が、
半導体106bの導電体114と重なる領域(チャネル形成領域)と概略接するか、当該
領域の一部と重なることが好ましい。
傍(図6(B)では点線で表示)に低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bが形成さ
れる。低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bは、絶縁体116に含まれる元素の少
なくとも一が含まれる。
及び低抵抗領域107bは絶縁体106cに形成されやすい。絶縁体106cにおける低
抵抗領域107aと低抵抗領域107bは、絶縁体106cの低抵抗領域107a及び低
抵抗領域107bではない領域(例えば、絶縁体106cの導電体114と重なる領域)
より、絶縁体116に含まれる元素の濃度が高い。低抵抗領域107a及び低抵抗領域1
07bの一部が、絶縁体106cの絶縁体115と重なる領域と概略接するか、当該領域
の一部と重なることが好ましい。
bが形成される。ここで、理想的には、低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bは添
加元素濃度が最も高くなる。領域126b及び領域126cの低抵抗領域107a及び低
抵抗領域107bを除く領域は添加元素濃度が次に高くなる。領域126aは添加元素濃
度が最も低くなる。ここで、添加元素とは、領域126b及び領域126cを形成するド
ーパントと、低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bに絶縁体116から添加される
元素を合わせたものである。
成される。導電体114の側面に接して絶縁体115が形成される。絶縁体112及び導
電体114は、少なくとも一部が導電体102及び半導体106bと重なる。導電体11
4のチャネル長方向の側面端部と絶縁体112のチャネル長方向の側面端部は概略一致し
ていることが好ましい。ここで、絶縁体112はトランジスタ20のゲート絶縁膜として
機能し、導電体114はトランジスタ20のゲート電極として機能し、絶縁体115はト
ランジスタ20のサイドウォール絶縁膜として機能する。
面端部は概略一致していることが好ましい。このような構造とすることにより、領域12
6b及び領域126cと、半導体106bの導電体114と重なる領域(チャネル形成領
域)とが概略接する、もしくは一部が重なるため、オン電流の向上を図ることができる。
形成される。絶縁体116は、絶縁体106cの絶縁体112及び絶縁体115と重なっ
ていない領域と接していることが好ましい。また、絶縁体116は、絶縁体104の少な
くとも一部と接していてもよい。絶縁体116の上に絶縁体118が形成される。ここで
、絶縁体116はトランジスタ20の保護絶縁膜として機能し、絶縁体118は、トラン
ジスタ20の層間絶縁膜として機能する。絶縁体116は、酸素に対してブロッキング効
果を有する絶縁体を用いることが好ましい。
8aまたは導電体108bは、絶縁体118、絶縁体116及び絶縁体106cに設けら
れた開口を介して低抵抗領域107aまたは低抵抗領域107bに接している。導電体1
08aと導電体108bは離間して形成されており、図6(B)に示すように導電体11
4を挟んで対向して形成されていることが好ましい。ここで、導電体108aは、トラン
ジスタ20のソース電極またはドレイン電極の一方として機能し、導電体108bは、ト
ランジスタ20のソース電極またはドレイン電極の他方として機能する。なお、図6(B
)では、導電体108a及び導電体108bは半導体106bに接して設けられているが
、本実施の形態はこれに限られるものではない。低抵抗領域107a及び低抵抗領域10
7bとの接触抵抗が十分低いなら、導電体108a及び導電体108bと絶縁体106c
が接する構成としてもよい。
欠陥準位密度の低い(酸素欠損の少ない)酸化物であり、キャリア密度が低い。このため
、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電体108a及び導電体108bとの
間で接触抵抗が大きくなりやすい。そこで、本実施の形態に示すトランジスタ20では、
導電体108aまたは導電体108bと、絶縁体106a、半導体106bまたは絶縁体
106cと、が領域126b中の低抵抗領域107aまたは領域126c中の低抵抗領域
107bを介して接続されることにより、接触抵抗の抑制を図っている。
、領域126b及び領域126cが形成されており、領域126b及び領域126cは領
域126aと比較してドーパントの濃度が高く、低抵抗化されている。ここで、絶縁体1
06a、半導体106b及び絶縁体106cにおいて、領域126aは導電体114と概
略重なる領域であり、領域126b及び領域126cは、領域126aを除いた領域であ
る。さらに、絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106cの絶縁体116との界
面近傍には、低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bが形成される。領域126b、
領域126c、低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bでは、ドーパントや絶縁体1
16に含まれる元素が添加され、当該元素によって欠陥が形成される。このような欠陥は
、例えば、添加されたドーパントや絶縁体116から添加された元素によって、酸素が引
き抜かれて酸素欠損が形成される、またはドーパントや絶縁体116から添加された元素
自体がキャリア発生源となることによって形成される。このような欠陥によってドナー準
位が形成され、キャリア密度が増加するため、ドーパントや絶縁体116に含まれる元素
が添加された領域が、領域126b、領域126c、低抵抗領域107a及び低抵抗領域
107bとして機能することになる。
損が多く形成されているため、領域126a(例えば、半導体106bの導電体114と
重なる領域)よりも、SIMS分析により得られる酸素濃度が低くなる。
される。このため、領域126b及び領域126cは領域126aより、SIMS分析に
より得られる当該ドーパントの濃度が高くなる。これは、領域126b及び領域126c
の低抵抗領域107a及び低抵抗領域107b以外の領域も同様なので、絶縁体106a
、半導体106b及び絶縁体106cの絶縁体115と重なる領域は、導電体114と重
なる領域より、SIMS分析により得られる当該ドーパントの濃度が高くなる。
ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素、フッ素、リン、塩素、ヒ素、ホウ素、
マグネシウム、アルミニウム、シリコン、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、亜鉛
、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、インジ
ウム、スズ、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタルまたはタングステン
などが挙げられる。これらの元素の中でも、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、
キセノン、窒素、フッ素、リン、塩素、ヒ素またはホウ素は、イオン注入法、イオンドー
ピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いて比較的容易
に添加することができるため、好適である。
添加されているため、半導体106bの低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bを除
く領域(例えば、半導体106bの導電体114及び絶縁体115と重なる領域)よりも
、SIMS分析により得られる当該元素の濃度が高くなる。
素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、
亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、イ
ンジウム、スズ、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタルまたはタングス
テンなどが好ましい。これらの元素は、比較的酸化物を形成しやすく、当該酸化物は半導
体または絶縁体として機能しうるため、絶縁体106a、半導体106bまたは絶縁体1
06cの添加元素として好適である。例えば、低抵抗領域107a及び低抵抗領域107
bに上記の元素が1×1014/cm2以上2×1016/cm2以下含まれることが好
ましい。また、絶縁体106cにおける低抵抗領域107aと低抵抗領域107bは、絶
縁体106cの低抵抗領域107a及び低抵抗領域107bではない領域(例えば、絶縁
体106cの導電体114及び絶縁体115と重なる領域)より、上述の元素の濃度が高
い。
化させることができるので、半導体106bの低抵抗領域107a及び低抵抗領域107
bを除く領域(例えば、半導体106bの導電体114と重なる領域)よりも、SIMS
分析により得られる窒素濃度が高くなる。
が形成されることにより、導電体108a又は導電体108bと絶縁体106a、半導体
106b又は絶縁体106cとの接触抵抗を低減することが可能となるのでトランジスタ
20のオン電流を増大させることができる。
12のチャネル長方向の側面端部は概略一致していることが好ましい。このような構成と
することにより、領域126b及び領域126cと、半導体106bの導電体114と重
なる領域(チャネル形成領域)とが概略接するため、オン電流の向上を図ることができる
。
よって包み込まれるように設けられている。よって、半導体106bの側面端部、特にチ
ャネル幅方向の側面端部近傍が、絶縁体106a及び絶縁体106cと接して設けられて
いる。これにより、半導体106bの側面端部近傍において、絶縁体106a又は絶縁体
106cとの間に連続接合が形成され、欠陥準位密度が低減される。よって、低抵抗領域
107a及び低抵抗領域107bを設けることによりオン電流が流れやすくなっても、半
導体106bのチャネル幅方向の側面端部が寄生チャネルとならず、安定した電気特性を
得ることができる。
106bの領域126aとの間に、ソース領域又はドレイン領域として機能する低抵抗領
域107a(低抵抗領域107b)と、それより抵抗が高くLDD(Lightly D
oped Drain)領域のように機能する領域126b(領域126c)が設けられ
ている。これにより、トランジスタ20のドレイン近傍の電界集中を緩和することができ
、当該電界集中によりドレイン近傍が損傷することを防ぐことができる。また、トランジ
スタ20をより短チャネル効果に対して強くすることができる。さらに非導通時のリーク
電流の低減を図ることができる。
ることができる。または、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することが
できる。または、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。または、ノー
マリーオフの電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、サブスレ
ッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することができる。または、信頼性の
高いトランジスタを提供することができる。
以下、トランジスタ20の変形例について図7及び図8を用いて説明する。なお、図7
及び図8は、図6(B)(C)と同様に、トランジスタのチャネル長方向の断面図とトラ
ンジスタのチャネル幅方向の断面図になる。なお、以下に示すトランジスタ20の変形例
の各構成は互いに適宜組み合わせて用いることができる。
6bの側面端部が概略一致して形成されている点において、トランジスタ20と異なる。
ここで、絶縁体106aの膜厚が、絶縁体106cと絶縁体112の膜厚の和より大きい
ことが好ましい。このような構成とすることにより、半導体106bのチャネル幅方向の
側面の概略全体を、絶縁体106cと絶縁体112を介して、導電体114と対向させる
ことができる。
を電気的に取り囲むことができる。そのため、半導体106bの全体にチャネルが形成さ
れる場合がある。このようなs−channel構造では、トランジスタのソース−ドレ
イン間に大電流を流すことができ、オン電流を高くすることができる。
もチャネルが形成される。したがって、半導体106bが厚いほどチャネル領域は大きく
なる。即ち、半導体106bが厚いほど、トランジスタのオン電流を高くすることができ
る。また、半導体106bが厚いほど、キャリアの制御性の高い領域の割合が増えるため
、サブスレッショルドスイング値を小さくすることができる。例えば、10nm以上、好
ましくは20nm以上、さらに好ましくは30nm以上、より好ましくは50nm以上の
厚さの領域を有する半導体106bとすればよい。ただし、半導体装置の生産性が低下す
る場合があるため、例えば、300nm以下、好ましくは200nm以下、さらに好まし
くは150nm以下の厚さの領域を有する半導体106bとすればよい。
に適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導
体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、
トランジスタは、チャネル長が好ましくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下
、より好ましくは20nm以下の領域を有し、かつ、トランジスタは、チャネル幅が好ま
しくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下の領
域を有する。
端部と絶縁体112のチャネル長方向の側面端部は概略一致しているが、本実施の形態に
示す構成はこれに限られるものではない。例えば、図7(C)(D)に示すトランジスタ
23のように、導電体114のチャネル長方向の幅が絶縁体112のチャネル長方向の幅
より小さい構成としてもよい。
が形成されている点において、トランジスタ20と異なる。絶縁体104の膜厚が大きい
領域のチャネル幅方向の側面端部は、半導体106bのチャネル幅方向の側面端部より内
側に位置することが好ましい。言い換えると、絶縁体104は凸部を有しており、上面か
ら見たとき当該凸部の外周は、半導体106bの外周よりも内側に位置する。また、絶縁
体104の膜厚が大きい領域のチャネル幅方向の側面端部は、絶縁体106aの膜厚と同
程度、半導体106bのチャネル幅方向の側面端部より内側に位置することがより好まし
い。ここで、絶縁体104の膜厚の大きい領域と膜厚の小さい領域の膜厚の差が、絶縁体
106cと絶縁体112の膜厚の和より大きいことが好ましい。このような構成とするこ
とにより、半導体106bのチャネル幅方向の側面の概略全体を、絶縁体106cと絶縁
体112を介して、導電体114と対向させることができる。
、s−channel構造とすることができる。よって、トランジスタ24でソース−ド
レイン間に大電流を流すことができ、オン電流を高くすることができる。
チャネル長方向に伸長されて設けられているが、本実施の形態に示す構成はこれに限られ
るものではない。例えば、図8(C)に示すように、絶縁体104の膜厚が大きい領域の
チャネル長方向の側面端部が、半導体106bのチャネル長方向の側面端部より内側に位
置する構成としてもよい。
合わせて用いることができる。
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法について、図9及び図
10を用いて説明する。
以下において、図6に示すトランジスタ20の作製方法について説明する。
ばよい。
することができる。
することができる。
ストなどの形成は、先の実施の形態の記載を参酌することができる。
の実施の形態の記載を参酌することができる。
その結果、絶縁体103に形成された開口の中のみに、導電体102が残存する。
の実施の形態の記載を参酌することができる。
実施の形態の記載を参酌することができる。
実施の形態の記載を参酌することができる。
縁体106aおよび半導体106bの水素濃度を低減させることができる場合がある。ま
た、後の工程で形成する絶縁体106aおよび半導体106bの酸素欠損を低減させるこ
とができる場合がある。加熱処理は、先の実施の形態の記載を参酌することができる。
て生成すればよい。高密度プラズマ処理は、先の実施の形態の記載を参酌することができ
る。
て加工し、半導体106bを形成する。なお、図9(C)(D)に示すように、半導体1
06bの形成時に、絶縁体106aの露出した表面が除去される場合がある。
実施の形態の記載を参酌することができる。
て加工し、絶縁体106a及び絶縁体106cを形成する(図9(C)(D)参照)。な
お、図9(C)(D)に示すように、絶縁体106a及び絶縁体106cの形成時に、絶
縁体104の露出した表面が除去される場合がある。絶縁体106a及び絶縁体106c
のパターン形成は、先の実施の形態の記載を参酌することができる。
施の形態の記載を参酌することができる。
施の形態の記載を参酌することができる。
加工し、絶縁体112及び導電体114を形成する。絶縁体112及び導電体114のパ
ターン形成は、先の実施の形態の記載を参酌することができる。
b及び絶縁体106cにドーパント119を添加する(図9(E)(F)参照)。これに
より、絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106cに領域126a、領域126
b及び領域126cが形成される。このため、領域126b及び領域126cは領域12
6aより、SIMS分析により得られるドーパント119の濃度が高くなる。ドーパント
119の添加方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョン
イオンインプランテーション法などを用いることができる。
御すればよい。ドーパント119のドーズ量は、例えば、1×1012ions/cm2
以上1×1016ions/cm2以下、好ましくは1×1013ions/cm2以上
1×1015ions/cm2以下とすればよい。ドーパント119導入時の加速電圧は
2kV以上50kV以下、好ましくは5kV以上30kV以下とすればよい。
ノン、窒素、フッ素、リン、塩素、ヒ素、ホウ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコ
ン、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、イットリ
ウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、インジウム、スズ、ランタン、セリウム、ネ
オジム、ハフニウム、タンタルまたはタングステンなどが挙げられる。これらの元素の中
でも、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素、フッ素、リン、塩素
、ヒ素またはホウ素は、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオ
ンインプランテーション法などを用いて比較的容易に添加することができるため、好適で
ある。
、250℃以上650℃以下、好ましくは350℃以上450℃以下とし、窒素雰囲気下
、減圧下、大気(超乾燥エア)下で加熱処理を行ってもよい。
絶縁体を用いればよい。絶縁体115の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法
またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。
に接して絶縁体115を自己整合的に形成する(図10(A)(B)参照)。ここで、絶
縁体115となる絶縁体のエッチングは、例えば、RIE(Reactive ion
etching:反応性イオンエッチング)法を用いて行うことができる。
、先の実施の形態の記載を参酌することができる。絶縁体116を成膜することにより、
絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106cの絶縁体116との界面近傍に低抵
抗領域107a及び低抵抗領域107bが形成される。
アルゴン、クリプトンまたはキセノン)を添加して、低抵抗領域107a及び低抵抗領域
107bをさらに低抵抗化してもよい。さらに、このように添加することにより、絶縁体
116に含まれる元素を絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106cに押し込む
(ノックオンする)ことができる。添加方法は、先の実施の形態の記載を参酌することが
できる。
から、絶縁体106a、半導体106b及び絶縁体106cに酸素を供給することができ
る。加熱処理は、先の実施の形態の記載を参酌することができる。
することができる。
106cに開口を形成する。それから、導電体108a及び導電体108bとなる導電体
を成膜する。導電体108a及び導電体108bとなる導電体の成膜は、先の実施の形態
の記載を参酌することができる。
レジストなどを用いて加工し、導電体108a及び導電体108bを形成する(図10(
C)(D)参照)。
で作製されるトップゲート構造のトランジスタのラインにおいて、LTPSを酸化物半導
体で容易に置き換えることが可能となる。
ることができる。または、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することが
できる。または、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。または、ノー
マリーオフの電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、サブスレ
ッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することができる。または、信頼性の
高いトランジスタを提供することができる。
合わせて用いることができる。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に含まれる酸化物半導体の詳細につい
て、以下説明する。
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
れる。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC−OS(C Axis Aligned
Crystalline Oxide Semiconductor)、多結晶酸化物
半導体、nc−OS(nanocrystalline Oxide Semicond
uctor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous l
ike Oxide Semiconductor)、非晶質酸化物半導体などがある。
半導体とに分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、CAAC−
OS、多結晶酸化物半導体、nc−OSなどがある。
って不均質構造を持たないことなどが知られている。また、結合角度が柔軟であり、短距
離秩序性は有するが、長距離秩序性を有さない構造と言い換えることもできる。
tely amorphous)酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、等方的でな
い(例えば、微小な領域において周期構造を有する)酸化物半導体を、完全な非晶質酸化
物半導体と呼ぶことはできない。ただし、a−like OSは、微小な領域において周
期構造を有するものの、鬆(ボイドともいう。)を有し、不安定な構造である。そのため
、物性的には非晶質酸化物半導体に近いといえる。
まずは、CAAC−OSについて説明する。
半導体の一つである。
oscope)によって、CAAC−OSの明視野像と回折パターンとの複合解析像(高
分解能TEM像ともいう。)を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一
方、高分解能TEM像ではペレット同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーと
もいう。)を明確に確認することができない。そのため、CAAC−OSは、結晶粒界に
起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
、試料面と略平行な方向から観察したCAAC−OSの断面の高分解能TEM像を示す。
高分解能TEM像の観察には、球面収差補正(Spherical Aberratio
n Corrector)機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能TEM像を
、特にCs補正高分解能TEM像と呼ぶ。Cs補正高分解能TEM像の取得は、例えば、
日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM−ARM200Fなどによって行う
ことができる。
。図11(B)より、ペレットにおいて、金属原子が層状に配列していることを確認でき
る。金属原子の各層の配列は、CAAC−OSの膜を形成する面(被形成面ともいう。)
または上面の凹凸を反映しており、CAAC−OSの被形成面または上面と平行となる。
)は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図11(B)および図11(C
)より、ペレット一つの大きさは1nm以上のものや、3nm以上のものがあり、ペレッ
トとペレットとの傾きにより生じる隙間の大きさは0.8nm程度であることがわかる。
したがって、ペレットを、ナノ結晶(nc:nanocrystal)と呼ぶこともでき
る。また、CAAC−OSを、CANC(C−Axis Aligned nanocr
ystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
ット5100の配置を模式的に示すと、レンガまたはブロックが積み重なったような構造
となる(図11(D)参照。)。図11(C)で観察されたペレットとペレットとの間で
傾きが生じている箇所は、図11(D)に示す領域5161に相当する。
s補正高分解能TEM像を示す。図12(A)の領域(1)、領域(2)および領域(3
)を拡大したCs補正高分解能TEM像を、それぞれ図12(B)、図12(C)および
図12(D)に示す。図12(B)、図12(C)および図12(D)より、ペレットは
、金属原子が三角形状、四角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しか
しながら、異なるペレット間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
AAC−OSについて説明する。例えば、InGaZnO4の結晶を有するCAAC−O
Sに対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、図13(A)に示すよ
うに回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGa
ZnO4の結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OSの結晶がc軸配向
性を有し、c軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。
°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°
近傍のピークは、CAAC−OS中の一部に、c軸配向性を有さない結晶が含まれること
を示している。より好ましいCAAC−OSは、out−of−plane法による構造
解析では、2θが31°近傍にピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さない。
ne法による構造解析を行うと、2θが56°近傍にピークが現れる。このピークは、I
nGaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。CAAC−OSの場合は、2θを5
6°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析
(φスキャン)を行っても、図13(B)に示すように明瞭なピークは現れない。これに
対し、InGaZnO4の単結晶酸化物半導体であれば、2θを56°近傍に固定してφ
スキャンした場合、図13(C)に示すように(110)面と等価な結晶面に帰属される
ピークが6本観察される。したがって、XRDを用いた構造解析から、CAAC−OSは
、a軸およびb軸の配向が不規則であることが確認できる。
ZnO4の結晶を有するCAAC−OSに対し、試料面に平行にプローブ径が300nm
の電子線を入射させると、図14(A)に示すような回折パターン(制限視野透過電子回
折パターンともいう。)が現れる場合がある。この回折パターンには、InGaZnO4
の結晶の(009)面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても
、CAAC−OSに含まれるペレットがc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に
略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプロー
ブ径が300nmの電子線を入射させたときの回折パターンを図14(B)に示す。図1
4(B)より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、電子回折によっても
、CAAC−OSに含まれるペレットのa軸およびb軸は配向性を有さないことがわかる
。なお、図14(B)における第1リングは、InGaZnO4の結晶の(010)面お
よび(100)面などに起因すると考えられる。また、図14(B)における第2リング
は(110)面などに起因すると考えられる。
結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、逆の見方をす
るとCAAC−OSは不純物や欠陥(酸素欠損など)の少ない酸化物半導体ともいえる。
属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸
素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列
を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、
二酸化炭素などは、原子半径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体の原子配列
を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
ある。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャ
リア発生源となる場合がある。また、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップと
なる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
ある。具体的には、8×1011個/cm3未満、好ましくは1×1011個/cm3未
満、さらに好ましくは1×1010個/cm3未満であり、1×10−9個/cm3以上
のキャリア密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度
真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。CAAC−OSは、不純物濃度が
低く、欠陥準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。
次に、nc−OSについて説明する。
確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。nc−OSに含まれる結晶部は
、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の大きさであることが多い。な
お、結晶部の大きさが10nmより大きく100nm以下である酸化物半導体を微結晶酸
化物半導体と呼ぶことがある。nc−OSは、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界
を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、CAAC−OSにおけるペレット
と起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではnc−OSの結晶部をペレットと
呼ぶ場合がある。
3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OSは、異なるペ
レット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。し
たがって、nc−OSは、分析方法によっては、a−like OSや非晶質酸化物半導
体と区別が付かない場合がある。例えば、nc−OSに対し、ペレットよりも大きい径の
X線を用いた場合、out−of−plane法による解析では、結晶面を示すピークは
検出されない。また、nc−OSに対し、ペレットよりも大きいプローブ径(例えば50
nm以上)の電子線を用いる電子回折を行うと、ハローパターンのような回折パターンが
観測される。一方、nc−OSに対し、ペレットの大きさと近いかペレットより小さいプ
ローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、
nc−OSに対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように(リング状に)輝度の高
い領域が観測される場合がある。さらに、リング状の領域内に複数のスポットが観測され
る場合がある。
−OSを、RANC(Random Aligned nanocrystals)を有
する酸化物半導体、またはNANC(Non−Aligned nanocrystal
s)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
、nc−OSは、a−like OSや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くな
る。ただし、nc−OSは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのた
め、nc−OSは、CAAC−OSと比べて欠陥準位密度が高くなる。
a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物
半導体である。
高分解能TEM像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認
することのできない領域と、を有する。
e OSが、CAAC−OSおよびnc−OSと比べて不安定な構造であることを示すた
め、電子照射による構造の変化を示す。
(試料Bと表記する。)およびCAAC−OS(試料Cと表記する。)を準備する。いず
れの試料もIn−Ga−Zn酸化物である。
料は、いずれも結晶部を有することがわかる。
、InGaZnO4の結晶の単位格子は、In−O層を3層有し、またGa−Zn−O層
を6層有する、計9層がc軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。こ
れらの近接する層同士の間隔は、(009)面の格子面間隔(d値ともいう。)と同程度
であり、結晶構造解析からその値は0.29nmと求められている。したがって、格子縞
の間隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所を、InGaZnO4の結晶部と
見なすことができる。なお、格子縞は、InGaZnO4の結晶のa−b面に対応する。
る。ただし、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図15より、a−li
ke OSは、電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。具体
的には、図15中に(1)で示すように、TEMによる観察初期においては1.2nm程
度の大きさだった結晶部(初期核ともいう。)が、累積照射量が4.2×108e−/n
m2においては2.6nm程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、nc−O
SおよびCAAC−OSは、電子照射開始時から電子の累積照射量が4.2×108e−
/nm2までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。具体的には、
図15中の(2)および(3)で示すように、電子の累積照射量によらず、nc−OSお
よびCAAC−OSの結晶部の大きさは、それぞれ1.4nm程度および2.1nm程度
であることがわかる。
ある。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射による結晶部の成長がほとん
ど見られないことがわかる。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−
OSと比べて、不安定な構造であることがわかる。
べて密度の低い構造である。具体的には、a−like OSの密度は、同じ組成の単結
晶の密度の78.6%以上92.3%未満となる。また、nc−OSの密度およびCAA
C−OSの密度は、同じ組成の単結晶の密度の92.3%以上100%未満となる。単結
晶の密度の78%未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
菱面体晶構造を有する単結晶InGaZnO4の密度は6.357g/cm3となる。よ
って、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体におい
て、a−like OSの密度は5.0g/cm3以上5.9g/cm3未満となる。ま
た、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において
、nc−OSの密度およびCAAC−OSの密度は5.9g/cm3以上6.3g/cm
3未満となる。
る単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積も
ることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わ
せる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少な
い種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、a−like OS、nc−OS
、CAAC−OSのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
合わせて用いることができる。
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した半導体装
置の回路の一例について説明する。
図16(A)に示す回路図は、pチャネル型のトランジスタ2200とnチャネル型の
トランジスタ2100を直列に接続し、かつそれぞれのゲートを接続した、いわゆるCM
OSインバータの構成を示している。
図17は、図16(A)に対応する半導体装置の断面図である。図17に示す半導体装
置は、トランジスタ2200と、トランジスタ2100と、を有する。また、トランジス
タ2100は、トランジスタ2200の上方に配置する。なお、トランジスタ2100と
して、上述の実施の形態1または実施の形態2において記載したトランジスタを用いるこ
とができる。また、図18に示すようにトランジスタ2100に上述の実施の形態3また
は実施の形態4において記載したトランジスタも用いることができる。よって、トランジ
スタ2100については、適宜上述したトランジスタについての記載を参酌することがで
きる。
。トランジスタ2200は、半導体基板450中の領域472aと、半導体基板450中
の領域472bと、絶縁体462と、導電体454と、を有する。
びドレイン領域としての機能を有する。また、絶縁体462は、ゲート絶縁体としての機
能を有する。また、導電体454は、ゲート電極としての機能を有する。したがって、導
電体454に印加する電位によって、チャネル形成領域の抵抗を制御することができる。
即ち、導電体454に印加する電位によって、領域472aと領域472bとの間の導通
・非導通を制御することができる。
または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜
鉛、酸化ガリウムなどの半導体基板などを用いればよい。好ましくは、半導体基板450
として単結晶シリコン基板を用いる。
だし、半導体基板450として、p型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用
いても構わない。その場合、トランジスタ2200となる領域には、n型の導電型を付与
する不純物を有するウェルを配置すればよい。または、半導体基板450がi型であって
も構わない。
トランジスタ2200のオン特性を向上させることができる。
る。このようにして、トランジスタ2200はpチャネル型トランジスタを構成する。
される。領域460は、絶縁性を有する領域である。
体480aと、導電体480bと、導電体480cと、導電体478aと、導電体478
bと、導電体478cと、導電体476aと、導電体476bと、導電体474aと、導
電体474bと、導電体474cと、導電体496aと、導電体496bと、導電体49
6cと、導電体496dと、導電体498aと、導電体498bと、導電体498cと、
絶縁体489と、絶縁体490と、絶縁体491と、絶縁体492と、絶縁体493と、
絶縁体494と、絶縁体495と、を有する。
464上に配置する。また、絶縁体468は、絶縁体466上に配置する。また、絶縁体
489は、絶縁体468上に配置する。また、トランジスタ2100は、絶縁体489上
に配置する。また、絶縁体493は、トランジスタ2100上に配置する。また、絶縁体
494は、絶縁体493上に配置する。
電体454に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体480a、
導電体480bまたは導電体480cが埋め込まれている。
口部と、導電体480cに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電
体478a、導電体478bまたは導電体478cが埋め込まれている。
口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体476aまたは導電体476bが
埋め込まれている。
導電体476aに達する開口部と、導電体476bに達する開口部と、を有する。また、
開口部には、それぞれ導電体474a、導電体474bまたは導電体474cが埋め込ま
れている。
い。または、例えば、導電体474aに一定の電位を印加することで、トランジスタ21
00のしきい値電圧などの電気特性を制御しても構わない。または、例えば、導電体47
4aとトランジスタ2100のゲート電極としての機能を有する導電体504とを電気的
に接続しても構わない。こうすることで、トランジスタ2100のオン電流を大きくする
ことができる。また、パンチスルー現象を抑制することができるため、トランジスタ21
00の飽和領域における電気特性を安定にすることができる。なお、導電体474aは上
記実施の形態の導電体102に相当するため、詳細については導電体102の記載を参酌
することができる。
口部と、を有する。なお、絶縁体490は上記実施の形態に示す絶縁体101に用いた絶
縁体を用いればよい。開口部を除いて導電体474a乃至474cの上を覆うように絶縁
体490を設けることにより、絶縁体491から導電体474a乃至474cが酸素を引
き抜くことを防ぐことができる。これにより、絶縁体491からトランジスタ2100の
酸化物半導体に効果的に酸素を供給することができる。
口部と、を有する。なお、絶縁体491は上記実施の形態の絶縁体104に相当するため
、詳細については絶縁体104の記載を参酌することができる。
域507bを通って、導電体474bに達する開口部と、トランジスタ2100のソース
またはドレインの他方である領域507aに達する開口部と、トランジスタ2100のゲ
ート電極である導電体504に達する開口部と、導電体474cに達する開口部と、を有
する。なお、絶縁体495は上記実施の形態の絶縁体116に相当するため、詳細につい
ては絶縁体116の記載を参酌することができる。
域507bを通って、導電体474bに達する開口部と、トランジスタ2100のソース
またはドレインの他方である領域507aに達する開口部と、トランジスタ2100のゲ
ート電極である導電体504に達する開口部と、導電体474cに達する開口部と、を有
する。また、開口部には、それぞれ導電体496a、導電体496b、導電体496cま
たは導電体496dが埋め込まれている。ただし、それぞれの開口部は、さらにトランジ
スタ2100などの構成要素のいずれかが有する開口部を介する場合がある。なお、絶縁
体493は上記実施の形態の絶縁体118に相当するため、詳細については絶縁体118
の記載を参酌することができる。
体496dに達する開口部と、導電体496cに達する開口部と、を有する。また、開口
部には、それぞれ導電体498a、導電体498bまたは導電体498cが埋め込まれて
いる。
体494としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミ
ニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジ
ルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、
または積層で用いればよい。
体494の一以上は、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を
有することが好ましい。トランジスタ2100の近傍に、水素などの不純物および酸素を
ブロックする機能を有する絶縁体を配置することによって、トランジスタ2100の電気
特性を安定にすることができる。
ウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素
、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジ
ム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。
、導電体478c、導電体476a、導電体476b、導電体474a、導電体474b
、導電体474c、導電体496a、導電体496b、導電体496c、導電体496d
、導電体498a、導電体498bおよび導電体498cとしては、例えば、ホウ素、窒
素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバル
ト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニ
ウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単
層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウム
を含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウ
ム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
の構造が異なるのみである。また、図20に示す半導体装置は、図18に示した半導体装
置のトランジスタ2200の構造が異なるのみである。よって、図19及び図20に示す
半導体装置については、図17に示した半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図1
9及び図20に示す半導体装置は、トランジスタ2200がFin型である場合を示して
いる。トランジスタ2200をFin型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大す
ることによりトランジスタ2200のオン特性を向上させることができる。また、ゲート
電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ2200のオフ特性を向上
させることができる。
の構造が異なるのみである。また、図22に示す半導体装置は、図18に示した半導体装
置のトランジスタ2200の構造が異なるのみである。よって、図21及び図22に示す
半導体装置については、図17に示した半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図2
1及び図22に示す半導体装置は、トランジスタ2200がSOI基板である半導体基板
450に設けられた場合を示している。図21及び図22には、絶縁体452によって領
域456が半導体基板450と分離されている構造を示す。半導体基板450としてSO
I基板を用いることによって、パンチスルー現象などを抑制することができるためトラン
ジスタ2200のオフ特性を向上させることができる。なお、絶縁体452は、半導体基
板450を絶縁体化させることによって形成することができる。例えば、絶縁体452と
しては、酸化シリコンを用いることができる。
タを作製し、その上方にnチャネル型トランジスタを作製するため、素子の占有面積を縮
小することができる。即ち、半導体装置の集積度を高くすることができる。また、nチャ
ネル型トランジスタと、pチャネル型トランジスタとを同一の半導体基板を用いて作製し
た場合と比べて、工程を簡略化することができるため、半導体装置の生産性を高くするこ
とができる。また、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、pチャネル型
トランジスタは、LDD領域、シャロートレンチ構造、歪み設計などの複雑な工程を省略
できる場合がある。そのため、nチャネル型トランジスタを、半導体基板を用いて作製す
る場合と比べて、生産性および歩留まりを高くすることができる場合がある。
また図16(B)に示す回路図は、トランジスタ2100とトランジスタ2200のそ
れぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、
いわゆるCMOSアナログスイッチとして機能させることができる。
本発明の一態様に係るトランジスタを用いた、電力が供給されない状況でも記憶内容の
保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置(記憶装置)の一例を図2
3に示す。
の半導体を用いたトランジスタ3300、および容量素子3400を有している。なお、
トランジスタ3300としては、上述のトランジスタ2100と同様のトランジスタを用
いることができる。
300は、例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることができる。トランジ
スタ3300のオフ電流が小さいことにより、半導体装置の特定のノードに長期にわたり
記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、また
はリフレッシュ動作の頻度が極めて少なくすることが可能となるため、消費電力の低い半
導体装置となる。
に接続され、第2の配線3002はトランジスタ3200のドレインと電気的に接続され
る。また、第3の配線3003はトランジスタ3300のソース、ドレインの一方と電気
的に接続され、第4の配線3004はトランジスタ3300のゲートと電気的に接続され
ている。そして、トランジスタ3200のゲート、およびトランジスタ3300のソース
、ドレインの他方は、容量素子3400の電極の一方と電気的に接続され、第5の配線3
005は容量素子3400の電極の他方と電気的に接続されている。
いう特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能で
ある。
ランジスタ3300が導通状態となる電位にして、トランジスタ3300を導通状態とす
る。これにより、第3の配線3003の電位が、トランジスタ3200のゲート、および
容量素子3400の電極の一方と電気的に接続するノードFGに与えられる。即ち、トラ
ンジスタ3200のゲートには、所定の電荷が与えられる(書き込み)。ここでは、異な
る二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、Highレベル電荷という。
)のどちらかが与えられるものとする。その後、第4の配線3004の電位を、トランジ
スタ3300が非導通状態となる電位にして、トランジスタ3300を非導通状態とする
ことにより、ノードFGに電荷が保持される(保持)。
保持される。
与えた状態で、第5の配線3005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、第2の配
線3002は、ノードFGに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジス
タ3200をnチャネル型とすると、トランジスタ3200のゲートにHighレベル電
荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Hは、トランジスタ3200
のゲートにLowレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_L
より低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ3200
を「導通状態」とするために必要な第5の配線3005の電位をいうものとする。したが
って、第5の配線3005の電位をVth_HとVth_Lの間の電位V0とすることに
より、ノードFGに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードF
GにHighレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV0(
>Vth_H)となれば、トランジスタ3200は「導通状態」となる。一方、ノードF
GにLowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV0(<
Vth_L)となっても、トランジスタ3200は「非導通状態」のままである。このた
め、第2の配線3002の電位を判別することで、ノードFGに保持されている情報を読
み出すことができる。
報を読み出さなくてはならない。例えば、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノ
ードFGに与えられた電荷によらずトランジスタ3200が「非導通状態」となるような
電位、つまり、Vth_Hより低い電位を第5の配線3005に与えることで所望のメモ
リセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。または、例えば、情報を読み出さない
メモリセルにおいては、ノードFGに与えられた電荷によらずトランジスタ3200が「
導通状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより高い電位を第5の配線3005に
与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。
発明に係る半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、半導体装置のノードFG
に3種類以上の電荷を保持できる構成としてもよい。このような構成とすることにより、
当該半導体装置を多値化して記憶容量の増大を図ることができる。
図24は、図23(A)に対応する半導体装置の断面図である。図24に示す半導体装
置は、トランジスタ3200と、トランジスタ3300と、容量素子3400と、を有す
る。また、トランジスタ3300および容量素子3400は、トランジスタ3200の上
方に配置する。なお、トランジスタ3300としては、上述したトランジスタ2100に
ついての記載を参照する。ここで、トランジスタ2100は、図24に示すように、実施
の形態1または実施の形態2で記載したトランジスタを用いてもよいし、図25に示すよ
うに、実施の形態3または実施の形態4で記載したトランジスタを用いてもよい。また、
トランジスタ3200としては、図17に示したトランジスタ2200についての記載を
参照する。なお、図17では、トランジスタ2200がpチャネル型トランジスタである
場合について説明したが、トランジスタ3200がnチャネル型トランジスタであっても
構わない。
。トランジスタ3200は、半導体基板450中の領域472aと、半導体基板450中
の領域472bと、絶縁体462と、導電体454と、を有する。
体480aと、導電体480bと、導電体480cと、導電体478aと、導電体478
bと、導電体478cと、導電体476aと、導電体476bと、導電体474aと、導
電体474bと、導電体474cと、導電体496aと、導電体496bと、導電体49
6cと、導電体496dと、導電体498aと、導電体498bと、導電体498cと、
絶縁体489と、絶縁体490と、絶縁体491と、絶縁体492と、絶縁体493と、
絶縁体494と、絶縁体495と、を有する。
464上に配置する。また、絶縁体468は、絶縁体466上に配置する。また、絶縁体
489は、絶縁体468上に配置する。また、トランジスタ3300は、絶縁体489上
に配置する。また、絶縁体493は、トランジスタ3300上に配置する。また、絶縁体
494は、絶縁体493上に配置する。
電体454に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体480a、
導電体480bまたは導電体480cが埋め込まれている。
口部と、導電体480cに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電
体478a、導電体478bまたは導電体478cが埋め込まれている。
口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体476aまたは導電体476bが
埋め込まれている。
導電体476aに達する開口部と、導電体476bに達する開口部と、を有する。また、
開口部には、それぞれ導電体474a、導電体474bまたは導電体474cが埋め込ま
れている。
構わない。または、例えば、導電体474aに一定の電位を印加することで、トランジス
タ3300のしきい値電圧などの電気特性を制御しても構わない。または、例えば、導電
体474aとトランジスタ3300のトップゲート電極である導電体504とを電気的に
接続しても構わない。こうすることで、トランジスタ3300のオン電流を大きくするこ
とができる。また、パンチスルー現象を抑制することができるため、トランジスタ330
0の飽和領域における電気特性を安定にすることができる。
口部と、を有する。なお、絶縁体490は上記実施の形態に示す絶縁体101に用いた絶
縁体を用いればよい。開口部を除いて導電体474a乃至474cの上を覆うように絶縁
体490を設けることにより、絶縁体491から導電体474a乃至474cが酸素を引
き抜くことを防ぐことができる。これにより、絶縁体491からトランジスタ3300の
酸化物半導体に効果的に酸素を供給することができる。
口部と、を有する。なお、絶縁体491は上記実施の形態の絶縁体104に相当するため
、詳細については絶縁体104の記載を参酌することができる。
域507bを通って、導電体474bに達する開口部と、トランジスタ3300のソース
またはドレインの他方である領域507aと絶縁体511を介して重なる導電体514に
達する開口部と、トランジスタ3300のゲート電極である導電体504に達する開口部
と、トランジスタ3300のソースまたはドレインの他方である領域507aを通って、
導電体474cに達する開口部と、を有する。なお、絶縁体495は上記実施の形態の絶
縁体116に相当するため、詳細については絶縁体116の記載を参酌することができる
。
域507bを通って、導電体474bに達する開口部と、トランジスタ3300のソース
またはドレインの他方である領域507aと絶縁体511を介して重なる導電体514に
達する開口部と、トランジスタ3300のゲート電極である導電体504に達する開口部
と、トランジスタ3300のソースまたはドレインの他方である領域507aを通って、
導電体474cに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体496
a、導電体496b、導電体496cまたは導電体496dが埋め込まれている。ただし
、それぞれの開口部は、さらにトランジスタ3300などの構成要素のいずれかが有する
開口部を介する場合がある。なお、絶縁体493は上記実施の形態の絶縁体118に相当
するため、詳細については絶縁体118の記載を参酌することができる。
口部と、導電体496cに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電
体498a、導電体498bまたは導電体498cが埋め込まれている。
体494の一以上は、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を
有することが好ましい。トランジスタ3300の近傍に、水素などの不純物および酸素を
ブロックする機能を有する絶縁体を配置することによって、トランジスタ3300の電気
特性を安定にすることができる。
と、導電体476aと、導電体474bと、導電体496cと、を介してトランジスタ3
300のソースまたはドレインの一方である領域507bと電気的に接続する。また、ト
ランジスタ3200のゲート電極である導電体454は、導電体480cと、導電体47
8cと、導電体476bと、導電体474cと、導電体496dと、を介してトランジス
タ3300のソースまたはドレインの他方である領域507aと電気的に接続する。
507aと、導電体514と、絶縁体511、を有する。なお、絶縁体511は、トラン
ジスタ3300のゲート絶縁体として機能する絶縁体と同一工程を経て形成できるため、
生産性を高めることができて好ましい場合がある。また、導電体514として、トランジ
スタ3300のゲート電極として機能する導電体504と同一工程を経て形成した層を用
いると、生産性を高めることができて好ましい場合がある。
の構造が異なるのみである。また、図27に示す半導体装置は、図25に示した半導体装
置のトランジスタ3200の構造が異なるのみである。よって、図26及び図27に示す
半導体装置については、図24に示した半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図2
6及び図27に示す半導体装置は、トランジスタ3200がFin型である場合を示して
いる。Fin型であるトランジスタ3200については、図19に示したトランジスタ2
200の記載を参照する。なお、図19では、トランジスタ2200がpチャネル型トラ
ンジスタである場合について説明したが、トランジスタ3200がnチャネル型トランジ
スタであっても構わない。
の構造が異なるのみである。また、図29に示す半導体装置は、図25に示した半導体装
置のトランジスタ3200の構造が異なるのみである。よって、図28及び図29に示す
半導体装置については、図24に示した半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図2
8及び図29に示す半導体装置は、トランジスタ3200がSOI基板である半導体基板
450に設けられた場合を示している。SOI基板である半導体基板450に設けられた
トランジスタ3200については、図21に示したトランジスタ2200の記載を参照す
る。なお、図21では、トランジスタ2200がpチャネル型トランジスタである場合に
ついて説明したが、トランジスタ3200がnチャネル型トランジスタであっても構わな
い。
図23(B)に示す半導体装置は、トランジスタ3200を有さない点で図23(A)
に示した半導体装置と異なる。この場合も図23(A)に示した半導体装置と同様の動作
により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。
スタ3300が導通状態になると、浮遊状態である第3の配線3003と容量素子340
0とが導通し、第3の配線3003と容量素子3400の間で電荷が再分配される。その
結果、第3の配線3003の電位が変化する。第3の配線3003の電位の変化量は、容
量素子3400の電極の一方の電位(または容量素子3400に蓄積された電荷)によっ
て、異なる値をとる。
3の配線3003が有する容量成分をCB、電荷が再分配される前の第3の配線3003
の電位をVB0とすると、電荷が再分配された後の第3の配線3003の電位は、(CB
×VB0+C×V)/(CB+C)となる。したがって、メモリセルの状態として、容量
素子3400の電極の一方の電位がV1とV0(V1>V0)の2つの状態をとるとする
と、電位V1を保持している場合の第3の配線3003の電位(=(CB×VB0+C×
V1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場合の第3の配線3003の電位(
=(CB×VB0+C×V0)/(CB+C))よりも高くなることがわかる。
とができる。
ランジスタを用い、トランジスタ3300として第2の半導体が適用されたトランジスタ
を駆動回路上に積層して配置する構成とすればよい。
用することで、長期にわたって記憶内容を保持することが可能となる。つまり、リフレッ
シュ動作が不要となるか、またはリフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能と
なるため、消費電力の低い半導体装置を実現することができる。また、電力の供給がない
場合(ただし、電位は固定されていることが好ましい)であっても、長期にわたって記憶
内容を保持することが可能である。
こりにくい。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の
注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行わないため、絶縁体の劣化とい
った問題が生じない。即ち、本発明の一態様に係る半導体装置は、従来の不揮発性メモリ
で問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上した半導体装
置である。さらに、トランジスタの導通状態、非導通状態によって、情報の書き込みが行
われるため、高速な動作が可能となる。
図23(A)に示す半導体装置(記憶装置)の変形例について、図30に示す回路図を
用いて説明する。
素子4500及び容量素子4600と、を有する。ここでトランジスタ4100は、上述
のトランジスタ3200と同様のトランジスタを用いることができ、トランジスタ420
0乃至4400は、上述のトランジスタ3300と同様のトランジスタを用いることがで
きる。なお、図30に示す半導体装置は、図30では図示を省略したが、マトリクス状に
複数設けられる。図30に示す半導体装置は、配線4001、配線4003、配線400
5乃至4009に与える信号又は電位に従って、データ電圧の書き込み、読み出しを制御
することができる。
ランジスタ4100のソース又はドレインの他方は、配線4001に接続される。なお図
30では、トランジスタ4100の導電型をpチャネル型として示すが、nチャネル型で
もよい。
は、ノードFG1に接続されるトランジスタ4400のソース又はドレインの一方、容量
素子4600の一方の電極、及びトランジスタ4200のソース又はドレインの一方の間
で電荷を保持する。また、第2のデータ保持部は、ノードFG2に接続されるトランジス
タ4100のゲート、トランジスタ4200のソース又はドレインの他方、トランジスタ
4300のソース又はドレインの一方、及び容量素子4500の一方の電極の間で電荷を
保持する。
ランジスタ4400のソース又はドレインの他方は、配線4001に接続される。トラン
ジスタ4400のゲートは、配線4005に接続される。トランジスタ4200のゲート
は、配線4006に接続される。トランジスタ4300のゲートは、配線4007に接続
される。容量素子4600の他方の電極は、配線4008に接続される。容量素子450
0の他方の電極は、配線4009に接続される。
スイッチとしての機能を有する。なおトランジスタ4200乃至4400は、非導通状態
においてソースとドレインとの間を流れる電流(オフ電流)が低いトランジスタが用いら
れることが好適である。オフ電流が少ないトランジスタとしては、チャネル形成領域に酸
化物半導体を有するトランジスタ(OSトランジスタ)であることが好ましい。OSトラ
ンジスタは、オフ電流が低い、シリコンを有するトランジスタと重ねて作製できる等の利
点がある。なお図30では、トランジスタ4200乃至4400の導電型をnチャネル型
として示すが、pチャネル型でもよい。
物半導体を用いたトランジスタであっても別層に設けることが好ましい。すなわち、図3
0に示す半導体装置は、図30に示すように、トランジスタ4100を有する第1の層4
021と、トランジスタ4200及びトランジスタ4300を有する第2の層4022と
、トランジスタ4400を有する第3の層4023と、で構成されることが好ましい。ト
ランジスタを有する層を積層して設けることで、回路面積を縮小することができ、半導体
装置の小型化を図ることができる。
、書き込み動作1とよぶ。)について説明する。なお、以下において、ノードFG1に接
続されるデータ保持部に書きこむデータ電圧をVD1とし、トランジスタ4100の閾値
電圧をVthとする。
、電気的に浮遊状態とする。また配線4005、4006をハイレベルにする。また配線
4007乃至4009をローレベルにする。すると、電気的に浮遊状態にあるノードFG
2の電位が上昇し、トランジスタ4100に電流が流れる。電流が流れることで、配線4
001の電位が上昇する。またトランジスタ4400、トランジスタ4200が導通状態
となる。そのため、配線4001の電位の上昇につれて、ノードFG1、FG2の電位が
上昇する。ノードFG2の電位が上昇し、トランジスタ4100でゲートとソースとの間
の電圧(Vgs)がトランジスタ4100の閾値電圧Vthになると、トランジスタ41
00を流れる電流が小さくなる。そのため、配線4001、ノードFG1、FG2の電位
の上昇は止まり、VD1からVthだけ下がった「VD1−Vth」で一定となる。
、配線4001に与えられ、ノードFG1、FG2の電位が上昇する。電位の上昇によっ
て、ノードFG2の電位が「VD1−Vth」となると、トランジスタ4100のVgs
がVthとなるため、電流が止まる。
書き込み動作2とよぶ。)について説明する。なお、ノードFG2に接続されるデータ保
持部に書きこむデータ電圧をVD2として説明する。
、電気的に浮遊状態とする。また配線4007をハイレベルにする。また配線4005、
4006、4008、4009をローレベルにする。トランジスタ4300を導通状態と
して配線4003をローレベルにする。そのため、ノードFG2の電位もローレベルにま
で低下し、トランジスタ4100に電流が流れる。電流が流れることで、配線4003の
電位が上昇する。またトランジスタ4300が導通状態となる。そのため、配線4003
の電位の上昇につれて、ノードFG2の電位が上昇する。ノードFG2の電位が上昇し、
トランジスタ4100でVgsがトランジスタ4100のVthになると、トランジスタ
4100を流れる電流が小さくなる。そのため、配線4003、ノードFG2の電位の上
昇は止まり、VD2からVthだけ下がった「VD2−Vth」で一定となる。
、配線4003に与えられ、ノードFG2の電位が上昇する。電位の上昇によって、ノー
ドFG2の電位が「VD2−Vth」となると、トランジスタ4100のVgsがVth
となるため、電流が止まる。このとき、ノードFG1の電位は、トランジスタ4200、
4400共に非導通状態であり、書き込み動作1で書きこんだ「VD1−Vth」が保持
される。
線4009をハイレベルにして、ノードFG1、FG2の電位を上昇させる。そして、各
トランジスタを非導通状態として、電荷の移動をなくし、書きこんだデータ電圧を保持す
る。
ータ保持部にデータ電圧を保持させることができる。なお書きこまれる電位として、「V
D1−Vth」や「VD2−Vth」を一例として挙げて説明したが、これらは多値のデ
ータに対応するデータ電圧である。そのため、それぞれのデータ保持部で4ビットのデー
タを保持する場合、16値の「VD1−Vth」や「VD2−Vth」を取り得る。
、読み出し動作1とよぶ。)について説明する。
3を放電させる。配線4005乃至4008をローレベルにする。また、配線4009を
ローレベルとして、電気的に浮遊状態にあるノードFG2の電位を「VD2−Vth」と
する。ノードFG2の電位が下がることで、トランジスタ4100に電流が流れる。電流
が流れることで、電気的に浮遊状態の配線4003の電位が低下する。配線4003の電
位の低下につれて、トランジスタ4100のVgsが小さくなる。トランジスタ4100
のVgsがトランジスタ4100のVthになると、トランジスタ4100を流れる電流
が小さくなる。すなわち、配線4003の電位が、ノードFG2の電位「VD2−Vth
」からVthだけ大きい値である「VD2」となる。この配線4003の電位は、ノード
FG2に接続されるデータ保持部のデータ電圧に対応する。読み出されたアナログ値のデ
ータ電圧はA/D変換を行い、ノードFG2に接続されるデータ保持部のデータを取得す
る。
ベルからローレベルに切り替えることで、トランジスタ4100に電流が流れる。電流が
流れることで、浮遊状態にあった配線4003の電位は低下して「VD2」となる。トラ
ンジスタ4100では、ノードFG2の「VD2−Vth」との間のVgsがVthとな
るため、電流が止まる。そして、配線4003には、書き込み動作2で書きこんだ「VD
2」が読み出される。
を導通状態として、ノードFG2の「VD2−Vth」を放電させる。
れるデータ保持部のデータ電圧を、ノードFG2に接続されるデータ保持部に移す。ここ
で、配線4001、4003をローレベルとする。配線4006をハイレベルにする。ま
た、配線4005、配線4007乃至4009をローレベルにする。トランジスタ420
0が導通状態となることで、ノードFG1の電荷が、ノードFG2との間で分配される。
のため、容量素子4600の容量値は、容量素子4500の容量値よりも大きくしておく
ことが好ましい。あるいは、ノードFG1に書きこむ電位「VD1−Vth」は、同じデ
ータを表す電位「VD2−Vth」よりも大きくすることが好ましい。このように、容量
値の比を変えること、予め書きこむ電位を大きくしておくことで、電荷の分配後の電位の
低下を抑制することができる。電荷の分配による電位の変動については、後述する。
読み出し動作2とよぶ。)について説明する。
3を放電させる。配線4005乃至4008をローレベルにする。また、配線4009は
、プリチャージ時にハイレベルとして、その後ローレベルとする。配線4009をローレ
ベルとすることで、電気的に浮遊状態にあるノードFG2を電位「VD1−Vth」とす
る。ノードFG2の電位が下がることで、トランジスタ4100に電流が流れる。電流が
流れることで、電気的に浮遊状態の配線4003の電位が低下する。配線4003の電位
の低下につれて、トランジスタ4100のVgsが小さくなる。トランジスタ4100の
Vgsがトランジスタ4100のVthになると、トランジスタ4100を流れる電流が
小さくなる。すなわち、配線4003の電位が、ノードFG2の電位「VD1−Vth」
からVthだけ大きい値である「VD1」となる。この配線4003の電位は、ノードF
G1に接続されるデータ保持部のデータ電圧に対応する。読み出されたアナログ値のデー
タ電圧はA/D変換を行い、ノードFG1に接続されるデータ保持部のデータを取得する
。以上が、ノードFG1に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作である
。
ベルからローレベルに切り替えることで、トランジスタ4100に電流が流れる。電流が
流れることで、浮遊状態にあった配線4003の電位は低下して「VD1」となる。トラ
ンジスタ4100では、ノードFG2の「VD1−Vth」との間のVgsがVthとな
るため、電流が止まる。そして、配線4003には、書き込み動作1で書きこんだ「VD
1」が読み出される。
データ保持部からデータ電圧を読み出すことができる。例えば、ノードFG1及びノード
FG2にそれぞれ4ビット(16値)のデータを保持することで計8ビット(256値)
のデータを保持することができる。また、図30においては、第1の層4021乃至第3
の層4023からなる構成としたが、さらに層を形成することによって、半導体装置の面
積を増大させず記憶容量の増加を図ることができる。
出すことができる。そのため、書き込み動作で書きこんだ「VD1−Vth」や「VD2
−Vth」のVthを相殺して読み出す構成とすることができる。その結果、メモリセル
あたりの記憶容量を向上させるとともに、読み出されるデータを正しいデータに近づける
ことができるため、データの信頼性に優れたものとすることができる。
は、トランジスタ4100乃至トランジスタ4400と、容量素子4500及び容量素子
4600と、を有する。ここで、トランジスタ4100は第1の層4021に形成され、
トランジスタ4200、4300、及び容量素子4500は第2の層4022に形成され
、トランジスタ4400及び容量素子4600は第3の層4023に形成される。図31
に示す半導体装置では、トランジスタ4200乃至トランジスタ4400として、上述の
実施の形態1または実施の形態2において記載したトランジスタを用いている。また、図
32に示すように、トランジスタ4200乃至トランジスタ4400として、上述の実施
の形態3または実施の形態4において記載したトランジスタを用いてもよい。
トランジスタ4100としてはトランジスタ3200の記載を参酌することができる。ま
た、その他の配線、絶縁体等についても適宜図24の記載を参酌することができる。
けて容量を形成する構成としたが、容量素子4500、4600では、トレンチ状に導電
層を設けて、容量を形成する構成としている。このような構成とすることで、同じ占有面
積であっても大きい容量値を確保することができる。
ができる。
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した撮像装置
の一例について説明する。
図33(A)は、本発明の一態様に係る撮像装置200の例を示す平面図である。撮像
装置200は、画素部210と、画素部210を駆動するための周辺回路260と、周辺
回路270、周辺回路280と、周辺回路290と、を有する。画素部210は、p行q
列(pおよびqは2以上の整数)のマトリクス状に配置された複数の画素211を有する
。周辺回路260、周辺回路270、周辺回路280および周辺回路290は、それぞれ
複数の画素211に接続し、複数の画素211を駆動するための信号を供給する機能を有
する。なお、本明細書等において、周辺回路260、周辺回路270、周辺回路280お
よび周辺回路290などの全てを指して「周辺回路」または「駆動回路」と呼ぶ場合があ
る。例えば、周辺回路260は周辺回路の一部といえる。
P1を放射することができる。
換回路の1つを有する。また、周辺回路は、画素部210を形成する基板上に形成しても
よい。また、周辺回路の一部または全部にICチップ等の半導体装置を用いてもよい。な
お、周辺回路は、周辺回路260、周辺回路270、周辺回路280および周辺回路29
0のいずれか一以上を省略してもよい。
素211を傾けて配置してもよい。画素211を傾けて配置することにより、行方向およ
び列方向の画素間隔(ピッチ)を短くすることができる。これにより、撮像装置200に
おける撮像の品質をより高めることができる。
撮像装置200が有する1つの画素211を複数の副画素212で構成し、それぞれの
副画素212に特定の波長域の光を透過するフィルタ(カラーフィルタ)を組み合わせる
ことで、カラー画像表示を実現するための情報を取得することができる。
図34(A)に示す画素211は、赤(R)の波長域の光を透過するカラーフィルタが設
けられた副画素212(以下、「副画素212R」ともいう)、緑(G)の波長域の光を
透過するカラーフィルタが設けられた副画素212(以下、「副画素212G」ともいう
)および青(B)の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素212(以
下、「副画素212B」ともいう)を有する。副画素212は、フォトセンサとして機能
させることができる。
31、配線247、配線248、配線249、配線250と電気的に接続される。また、
副画素212R、副画素212G、および副画素212Bは、それぞれが独立した配線2
53に接続している。また、本明細書等において、例えばn行目の画素211に接続され
た配線248および配線249を、それぞれ配線248[n]および配線249[n]と
記載する。また、例えばm列目の画素211に接続された配線253を、配線253[m
]と記載する。なお、図34(A)において、m列目の画素211が有する副画素212
Rに接続する配線253を配線253[m]R、副画素212Gに接続する配線253を
配線253[m]G、および副画素212Bに接続する配線253を配線253[m]B
と記載している。副画素212は、上記配線を介して周辺回路と電気的に接続される。
ィルタが設けられた副画素212同士がスイッチを介して電気的に接続する構成を有する
。図34(B)に、n行(nは1以上p以下の整数)m列(mは1以上q以下の整数)に
配置された画素211が有する副画素212と、該画素211に隣接するn+1行m列に
配置された画素211が有する副画素212の接続例を示す。図34(B)において、n
行m列に配置された副画素212Rと、n+1行m列に配置された副画素212Rがスイ
ッチ201を介して接続されている。また、n行m列に配置された副画素212Gと、n
+1行m列に配置された副画素212Gがスイッチ202を介して接続されている。また
、n行m列に配置された副画素212Bと、n+1行m列に配置された副画素212Bが
スイッチ203を介して接続されている。
されず、それぞれシアン(C)、黄(Y)およびマゼンダ(M)の光を透過するカラーフ
ィルタを用いてもよい。1つの画素211に3種類の異なる波長域の光を検出する副画素
212を設けることで、フルカラー画像を取得することができる。
設けられた副画素212に加えて、黄(Y)の光を透過するカラーフィルタが設けられた
副画素212を有する画素211を用いてもよい。または、それぞれシアン(C)、黄(
Y)およびマゼンダ(M)の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素212に加
えて、青(B)の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素212を有する画素2
11を用いてもよい。1つの画素211に4種類の異なる波長域の光を検出する副画素2
12を設けることで、取得した画像の色の再現性をさらに高めることができる。
波長域の光を検出する副画素212、および青の波長域の光を検出する副画素212の画
素数比(または受光面積比)は、1:1:1でなくても構わない。例えば、画素数比(受
光面積比)を赤:緑:青=1:2:1とするBayer配列としてもよい。または、画素
数比(受光面積比)を赤:緑:青=1:6:1としてもよい。
ば、同じ波長域の光を検出する副画素212を2つ以上設けることで、冗長性を高め、撮
像装置200の信頼性を高めることができる。
)フィルタを用いることで、赤外光を検出する撮像装置200を実現することができる。
いることで、光電変換素子(受光素子)に大光量光が入射した時に生じる出力飽和するこ
とを防ぐことができる。減光量の異なるNDフィルタを組み合わせて用いることで、撮像
装置のダイナミックレンジを大きくすることができる。
の断面図を用いて、画素211、フィルタ254、レンズ255の配置例を説明する。レ
ンズ255を設けることで、光電変換素子が入射光を効率よく受光することができる。具
体的には、図35(A)に示すように、画素211に形成したレンズ255、フィルタ2
54(フィルタ254R、フィルタ254Gおよびフィルタ254B)、および画素回路
230等を通して光256を光電変換素子220に入射させる構造とすることができる。
の一部によって遮光されてしまうことがある。したがって、図35(B)に示すように光
電変換素子220側にレンズ255およびフィルタ254を配置して、光電変換素子22
0が光256を効率良く受光させる構造が好ましい。光電変換素子220側から光256
を光電変換素子220に入射させることで、検出感度の高い撮像装置200を提供するこ
とができる。
た光電変換素子を用いてもよい。
用いて形成してもよい。放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質としては、
セレン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ヒ化ガリウム、テルル化カドミウム、カドミウム亜鉛合
金等がある。
、X線や、ガンマ線といった幅広い波長域にわたって光吸収係数を有する光電変換素子2
20を実現できる。
えて、第1のフィルタを有する副画素212を有してもよい。
以下では、シリコンを用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたトランジスタと、
を用いて画素を構成する一例について説明する。
)に示す撮像装置は、シリコン基板300に設けられたシリコンを用いたトランジスタ3
51、トランジスタ351上に積層して配置された酸化物半導体を用いたトランジスタ3
52およびトランジスタ353、ならびにシリコン基板300に設けられたフォトダイオ
ード360を含む。各トランジスタおよびフォトダイオード360は、種々のプラグ37
0および配線371と電気的な接続を有する。また、フォトダイオード360のアノード
361は、低抵抗領域363を介してプラグ370と電気的に接続を有する。なお、酸化
物半導体を用いたトランジスタ352およびトランジスタ353は、図36(A)に示す
ように、実施の形態1または実施の形態2で記載したトランジスタを用いてもよいし、図
37に示すように、実施の形態3または実施の形態4で記載したトランジスタを用いても
よい。
イオード360を有する層310と、層310と接して設けられ、配線371を有する層
320と、層320と接して設けられ、トランジスタ352およびトランジスタ353を
有する層330と、層330と接して設けられ、配線372および配線373を有する層
340を備えている。
51が形成された面とは逆側の面にフォトダイオード360の受光面を有する構成とする
。該構成とすることで、各種トランジスタや配線などの影響を受けずに光路を確保するこ
とができる。そのため、高開口率の画素を形成することができる。なお、フォトダイオー
ド360の受光面をトランジスタ351が形成された面と同じとすることもできる。
10を、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する層とすればよい。または層310を
省略し、酸化物半導体を用いたトランジスタのみで画素を構成してもよい。
省略すればよい。層330を省略した断面図の一例を図36(B)に示す。
に替えて、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ヒ化ガリウム、ヒ化ア
ルミニウムガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウムまたは有機半導体を有する基板を
用いることもできる。
ンジスタ352およびトランジスタ353を有する層330と、の間には絶縁体380が
設けられる。ただし、絶縁体380の位置は限定されない。
ダングリングボンドを終端し、トランジスタ351の信頼性を向上させる効果がある。一
方、トランジスタ352およびトランジスタ353などの近傍に設けられる絶縁体中の水
素は、酸化物半導体中にキャリアを生成する要因の一つとなる。そのため、トランジスタ
352およびトランジスタ353などの信頼性を低下させる要因となる場合がある。した
がって、シリコン系半導体を用いたトランジスタの上層に酸化物半導体を用いたトランジ
スタを積層して設ける場合、これらの間に水素をブロックする機能を有する絶縁体380
を設けることが好ましい。絶縁体380より下層に水素を閉じ込めることで、トランジス
タ351の信頼性を向上させることができる。さらに、絶縁体380より下層から、絶縁
体380より上層に水素が拡散することを抑制できるため、トランジスタ352およびト
ランジスタ353などの信頼性を向上させることができる。
用いる。
層330に設けるトランジスタと重なるように形成することができる。そうすると、画素
の集積度を高めることができる。すなわち、撮像装置の解像度を高めることができる。
を湾曲させてもよい。図38(A1)は、撮像装置を同図中の一点鎖線X1−X2の方向
に湾曲させた状態を示している。図38(A2)は、図38(A1)中の一点鎖線X1−
X2で示した部位の断面図である。図38(A3)は、図38(A1)中の一点鎖線Y1
−Y2で示した部位の断面図である。
同図中の一点鎖線Y3−Y4の方向に湾曲させた状態を示している。図38(B2)は、
図38(B1)中の一点鎖線X3−X4で示した部位の断面図である。図38(B3)は
、図38(B1)中の一点鎖線Y3−Y4で示した部位の断面図である。
撮像装置と組み合わせて用いるレンズなどの光学設計を容易とすることができる。例えば
、収差補正のためのレンズ枚数を低減できるため、撮像装置を用いた電子機器などの小型
化や軽量化を実現することができる。また、撮像された画像の品質を向上させる事ができ
る。
ができる。
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタや上述した記憶装置など
の半導体装置を含むCPUの一例について説明する。
図39は、上述したトランジスタを一部に用いたCPUの一例の構成を示すブロック図
である。
tic logic unit、演算回路)、ALUコントローラ1192、インストラ
クションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントロー
ラ1195、レジスタ1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース
1198、書き換え可能なROM1199、およびROMインターフェース1189を有
している。基板1190は、半導体基板、SOI基板、ガラス基板などを用いる。ROM
1199およびROMインターフェース1189は、別チップに設けてもよい。もちろん
、図39に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のCPUはそ
の用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図39に示すCPUまたは演算回
路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作する
ような構成としてもよい。また、CPUが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は
、例えば8ビット、16ビット、32ビット、64ビットなどとすることができる。
ンデコーダ1193に入力され、デコードされた後、ALUコントローラ1192、イン
タラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントロー
ラ1195に入力される。
ーラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種
制御を行なう。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御す
るための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログ
ラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマス
ク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のア
ドレスを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行なう
。
92、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、およ
びレジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えば
タイミングコントローラ1195は、基準クロック信号を元に、内部クロック信号を生成
する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号を上記各種回路に供給する。
タ1196のメモリセルとして、上述したトランジスタや記憶装置などを用いることがで
きる。
の指示に従い、レジスタ1196における保持動作の選択を行う。即ち、レジスタ119
6が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素
子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選
択されている場合、レジスタ1196内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。
容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが
行われ、レジスタ1196内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。
例である。記憶素子1200は、電源遮断で記憶データが揮発する回路1201と、電源
遮断で記憶データが揮発しない回路1202と、スイッチ1203と、スイッチ1204
と、論理素子1206と、容量素子1207と、選択機能を有する回路1220と、を有
する。回路1202は、容量素子1208と、トランジスタ1209と、トランジスタ1
210と、を有する。なお、記憶素子1200は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子
、インダクタなどのその他の素子をさらに有していてもよい。
0への電源電圧の供給が停止した際、回路1202のトランジスタ1209のゲートには
GND(0V)、またはトランジスタ1209がオフする電位が入力され続ける構成とす
る。例えば、トランジスタ1209のゲートが抵抗等の負荷を介して接地される構成とす
る。
いて構成され、スイッチ1204は、一導電型とは逆の導電型(例えば、pチャネル型)
のトランジスタ1214を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ1203の第1の
端子はトランジスタ1213のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ1203の第
2の端子はトランジスタ1213のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ1203
はトランジスタ1213のゲートに入力される制御信号RDによって、第1の端子と第2
の端子の間の導通または非導通(つまり、トランジスタ1213の導通状態または非導通
状態)が選択される。スイッチ1204の第1の端子はトランジスタ1214のソースと
ドレインの一方に対応し、スイッチ1204の第2の端子はトランジスタ1214のソー
スとドレインの他方に対応し、スイッチ1204はトランジスタ1214のゲートに入力
される制御信号RDによって、第1の端子と第2の端子の間の導通または非導通(つまり
、トランジスタ1214の導通状態または非導通状態)が選択される。
うちの一方、およびトランジスタ1210のゲートと電気的に接続される。ここで、接続
部分をノードM2とする。トランジスタ1210のソースとドレインの一方は、低電源電
位を供給することのできる配線(例えばGND線)に電気的に接続され、他方は、スイッ
チ1203の第1の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの一方)と電気的に
接続される。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレイン
の他方)はスイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの
一方)と電気的に接続される。スイッチ1204の第2の端子(トランジスタ1214の
ソースとドレインの他方)は電源電位VDDを供給することのできる配線と電気的に接続
される。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他
方)と、スイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの一
方)と、論理素子1206の入力端子と、容量素子1207の一対の電極のうちの一方と
、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードM1とする。容量素子1207の一
対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低
電源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができ
る。容量素子1207の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる
配線(例えばGND線)と電気的に接続される。容量素子1208の一対の電極のうちの
他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND
等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができる。容量素子12
08の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGN
D線)と電気的に接続される。
を積極的に利用することによって省略することも可能である。
よびスイッチ1204は、制御信号WEとは異なる制御信号RDによって第1の端子と第
2の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のスイッチの第1の端子と第
2の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第1の端子と第2の端子の間は非導通状
態となる。
タに対応する信号が入力される。図40では、回路1201から出力された信号が、トラ
ンジスタ1209のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ1203
の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号は
、論理素子1206によってその論理値が反転された反転信号となり、回路1220を介
して回路1201に入力される。
ドレインの他方)から出力される信号は、論理素子1206および回路1220を介して
回路1201に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ1203の第2の端
子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号が、論理値を
反転させられることなく、回路1201に入力されてもよい。例えば、回路1201内に
、入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場
合に、スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方
)から出力される信号を当該ノードに入力することができる。
スタ1209以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる膜または基板11
90にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン膜また
はシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素
子1200に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体で形成されるトラ
ンジスタとすることもできる。または、記憶素子1200は、トランジスタ1209以外
にも、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのト
ランジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板1190にチャネルが形成さ
れるトランジスタとすることもできる。
。また、論理素子1206としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用い
ることができる。
は、回路1201に記憶されていたデータを、回路1202に設けられた容量素子120
8によって保持することができる。
例えば、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有す
るシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのた
め、当該トランジスタをトランジスタ1209として用いることによって、記憶素子12
00に電源電圧が供給されない間も容量素子1208に保持された信号は長期間にわたり
保たれる。こうして、記憶素子1200は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容(デー
タ)を保持することが可能である。
動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路1201
が元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
タ1210のゲートに入力される。そのため、記憶素子1200への電源電圧の供給が再
開された後、容量素子1208によって保持された信号を、トランジスタ1210の状態
(導通状態、または非導通状態)に変換して、回路1202から読み出すことができる。
それ故、容量素子1208に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の
信号を正確に読み出すことが可能である。
の記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐ
ことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復
帰することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、ま
たは複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力
を抑えることができる。
(Digital Signal Processor)、カスタムLSI等のLSI、
RF(Radio Frequency)デバイスにも応用可能である。また、FPGA
(Field Programmable Gate Array)やCPLD(Com
plex PLD)などのプログラマブル論理回路(PLD:Programmable
Logic Device)等のLSIにも応用可能である。
ができる。
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した表示装置
について、図41乃至図43を用いて説明する。
表示装置に用いられる表示素子としては液晶素子(液晶表示素子ともいう。)、発光素
子(発光表示素子ともいう。)などを用いることができる。発光素子は、電流または電圧
によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機EL(Elec
troluminescence)、有機ELなどを含む。以下では、表示装置の一例と
してEL素子を用いた表示装置(EL表示装置)および液晶素子を用いた表示装置(液晶
表示装置)について説明する。
コントローラを含むICなどを実装した状態にあるモジュールとを含む。
また、コネクター、例えばFPC、TCPが取り付けられたモジュール、TCPの先にプ
リント配線板を有するモジュールまたは表示素子にCOG方式によりIC(集積回路)が
直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
示装置の画素の回路図を示す。図41(B)は、EL表示装置全体を示す上面図である。
また、図41(C)は、図41(B)の一点鎖線M−Nの一部に対応するM−N断面であ
る。
(容量素子、抵抗素子など)などが有するすべての端子について、その接続先を特定しな
くても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接
続先を特定しなくても、発明の一態様が明確であるといえる。そして、接続先が特定され
た内容が、本明細書等に記載されている場合、接続先を特定しない発明の一態様が、本明
細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。特に、端子の接続先として
複数の箇所が想定される場合には、その端子の接続先を特定の箇所に限定する必要はない
。したがって、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、受動素子(容量素子、抵抗
素子など)などが有する一部の端子についてのみ、その接続先を特定することによって、
発明の一態様を構成することが可能な場合がある。
業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。または、ある回路について、少
なくとも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。
つまり、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であるといえる。そして、機能が特定さ
れた発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。
したがって、ある回路について、機能を特定しなくても、接続先を特定すれば、発明の一
態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。また
は、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定すれば、発明の一態様とし
て開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。
容量素子742と、発光素子719と、を有する。
することが可能である。逆に、図41(A)の各ノードにおいて、トランジスタ、スイッ
チ、受動素子などを追加しないようにすることも可能である。
の電極と電気的に接続される。トランジスタ741のソースは容量素子742の他方の電
極と電気的に接続され、発光素子719の一方の電極と電気的に接続される。トランジス
タ741のドレインは電源電位VDDが与えられる。スイッチ素子743の他端は信号線
744と電気的に接続される。発光素子719の他方の電極は定電位が与えられる。なお
、定電位は接地電位GNDまたはそれより小さい電位とする。
ることで、画素の面積を小さくでき、解像度の高いEL表示装置とすることができる。ま
た、スイッチ素子743として、トランジスタ741と同一工程を経て作製されたトラン
ジスタを用いると、EL表示装置の生産性を高めることができる。なお、トランジスタ7
41または/およびスイッチ素子743としては、例えば、上述したトランジスタを適用
することができる。
750と、シール材734と、駆動回路735と、駆動回路736と、画素737と、F
PC732と、を有する。シール材734は、画素737、駆動回路735および駆動回
路736を囲むように基板700と基板750との間に配置される。なお、駆動回路73
5または/および駆動回路736をシール材734の外側に配置しても構わない。
図である。
体701上の導電体702aと、導電体702a上の絶縁体704と、絶縁体704上に
あり導電体702aと重なる絶縁体706aと、絶縁体706a上の半導体706bと、
半導体706b上の絶縁体706cと、絶縁体706cおよび半導体706bに設けられ
た領域707aおよび領域707bと、絶縁体706c上の絶縁体712と、絶縁体71
2上の導電体714aと、絶縁体706c上および導電体714a上の絶縁体716と、
を有する構造を示す。なお、トランジスタ741の構造は一例であり、図41(C)に示
す構造と異なる構造であっても構わない。例えば、トランジスタ741は、図41(C)
に示すように、実施の形態1または実施の形態2で記載したトランジスタを用いてもよい
し、図43(A)に示すように、実施の形態3または実施の形態4で記載したトランジス
タを用いてもよい。
ト電極としての機能を有し、絶縁体712はゲート絶縁体としての機能を有し、領域70
7aはソースとしての機能を有し、領域707bはドレインとしての機能を有し、絶縁体
712はゲート絶縁体としての機能を有し、導電体714aはゲート電極としての機能を
有する。なお、半導体706bは、光が当たることで電気特性が変動する場合がある。し
たがって、導電体702a、導電体714aのいずれか一以上が遮光性を有すると好まし
い。
体702b上の絶縁体704と、絶縁体704上にあり導電体702bと重なる領域70
7aと、領域707a上の絶縁体711と、絶縁体711上にあり領域707aと重なる
導電体714bと、を有する構造を示す。
能し、領域707aは他方の電極として機能する。
とができる。また、導電体702aおよび導電体702bを同種の導電体とすると好まし
い。その場合、導電体702aおよび導電体702bは、同一工程を経て形成することが
できる。また、導電体714aおよび導電体714bを同種の導電体とすると好ましい。
その場合、導電体714aおよび導電体714bは、同一工程を経て形成することができ
る。また、絶縁体712および絶縁体711を同種の絶縁体とすると好ましい。その場合
、絶縁体712および絶縁体711は、同一工程を経て形成することができる。
。したがって、図41(C)は表示品位の高いEL表示装置である。
、絶縁体716および絶縁体720は、トランジスタ741のソースとして機能する領域
707aに達する開口部を有してもよい。絶縁体720上には、導電体781が配置され
る。導電体781は、絶縁体720の開口部を介してトランジスタ741と電気的に接続
している。
隔壁784上には、隔壁784の開口部で導電体781と接する発光層782が配置され
る。発光層782上には、導電体783が配置される。導電体781、発光層782およ
び導電体783の重なる領域が、発光素子719となる。
明する。
は、トランジスタ751と、容量素子752と、一対の電極間に液晶の充填された素子(
液晶素子)753とを有する。
、ゲートが走査線754に電気的に接続されている。
気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。
気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。なお
、上述した容量素子752の他方の電極が電気的に接続する配線に与えられる共通電位と
、液晶素子753の他方の電極に与えられる共通電位とが異なる電位であってもよい。
一点鎖線M−Nに対応する液晶表示装置の断面図を図42(B)に示す。図42(B)に
おいて、FPC732は、端子731を介して配線733aと接続される。なお、配線7
33aは、トランジスタ751を構成する導電体または半導体のいずれかと同種の導電体
または半導体を用いてもよい。
751もトランジスタ741と同様に、図42(B)に示すように、実施の形態1または
実施の形態2で記載したトランジスタを用いてもよいし、図43(B)に示すように、実
施の形態3または実施の形態4で記載したトランジスタを用いてもよい。また、容量素子
752は、容量素子742についての記載を参照する。なお、図42(B)には、図41
(C)の容量素子742に対応した容量素子752の構造を示したが、これに限定されな
い。
さいトランジスタとすることができる。したがって、容量素子752に保持された電荷が
リークしにくく、長期間に渡って液晶素子753に印加される電圧を維持することができ
る。そのため、動きの少ない動画や静止画の表示の際に、トランジスタ751をオフ状態
とすることで、トランジスタ751の動作のための電力が不要となり、消費電力の小さい
液晶表示装置とすることができる。また、容量素子752の占有面積を小さくできるため
、開口率の高い液晶表示装置、または高精細化した液晶表示装置を提供することができる
。
、絶縁体721は、トランジスタ751に達する開口部を有する。絶縁体721上には、
導電体791が配置される。導電体791は、絶縁体721の開口部を介してトランジス
タ751と電気的に接続する。
上には、液晶層793が配置される。液晶層793上には、配向膜として機能する絶縁体
794が配置される。絶縁体794上には、スペーサ795が配置される。スペーサ79
5および絶縁体794上には、導電体796が配置される。導電体796上には、基板7
97が配置される。
TN(Super Twisted Nematic)モード、IPS(In−Plan
e−Switching)モード、FFS(Fringe Field Switchi
ng)モード、MVA(Multi−domain Vertical Alignme
nt)モード、PVA(Patterned Vertical Alignment)
モード、ASV(Advanced Super View)モード、ASM(Axia
lly Symmetric aligned Micro−cell)モード、OCB
(Optically Compensated Birefringence)モード
、ECB(Electrically Controlled Birefringen
ce)モード、FLC(Ferroelectric Liquid Crystal)
モード、AFLC(AntiFerroelectric Liquid Crysta
l)モード、PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crys
tal)モード、ゲストホストモード、ブルー相(Blue Phase)モードなどを
用いることができる。ただし、これに限定されず、駆動方法として様々なものを用いるこ
とができる。
ことができる、または、表示品位の高い表示装置を提供することができる。または、高精
細の表示装置を提供することができる。
素子、および発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または
様々な素子を有することができる。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、例
えば、白色、赤色、緑色または青色などの発光ダイオード(LED:Light Emi
tting Diode)、トランジスタ(電流に応じて発光するトランジスタ)、電子
放出素子、液晶素子、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ(GLV
)、プラズマディスプレイパネル(PDP)、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニ
カル・システム)を用いた表示素子、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)、DM
S(デジタル・マイクロ・シャッター)、IMOD(インターフェアレンス・モジュレー
ション)素子、シャッター方式のMEMS表示素子、光干渉方式のMEMS表示素子、エ
レクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用
いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的または磁気的
作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有していて
も良い。
子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ(FED)ま
たはSED方式平面型ディスプレイ(SED:Surface−conduction
Electron−emitter Display)などがある。液晶素子を用いた表
示装置の一例としては、液晶ディスプレイ(透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディ
スプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ
)などがある。電子インクまたは電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペ
ーパーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現す
る場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するようにす
ればよい。例えば、画素電極の一部または全部が、アルミニウム、銀、などを有するよう
にすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、SRAMなどの記憶回路を設けるこ
とも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。
ァイトを配置してもよい。グラフェンやグラファイトは、複数の層を重ねて、多層膜とし
てもよい。このように、グラフェンやグラファイトを設けることにより、その上に、窒化
物半導体、例えば、結晶を有するn型GaN半導体などを容易に成膜することができる。
さらに、その上に、結晶を有するp型GaN半導体などを設けて、LEDを構成すること
ができる。なお、グラフェンやグラファイトと、結晶を有するn型GaN半導体との間に
、AlN層を設けてもよい。なお、LEDが有するGaN半導体は、MOCVDで成膜し
てもよい。ただし、グラフェンを設けることにより、LEDが有するGaN半導体は、ス
パッタリング法で成膜することも可能である。
ができる。
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した電子機器
について説明する。
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を
備えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digital Versatile Dis
c等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)に用いるこ
とができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器
として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメ
ラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディス
プレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディ
オプレイヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入
れ払い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図44に
示す。
部904、マイクロフォン905、スピーカー906、操作キー907、スタイラス90
8等を有する。なお、図44(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部903と表
示部904とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されな
い。
913、第2表示部914、接続部915、操作キー916等を有する。第1表示部91
3は第1筐体911に設けられており、第2表示部914は第2筐体912に設けられて
いる。そして、第1筐体911と第2筐体912とは、接続部915により接続されてお
り、第1筐体911と第2筐体912の間の角度は、接続部915により変更が可能であ
る。第1表示部913における映像を、接続部915における第1筐体911と第2筐体
912との間の角度にしたがって、切り替える構成としてもよい。また、第1表示部91
3および第2表示部914の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された
表示装置を用いるようにしてもよい。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタ
ッチパネルを設けることで付加することができる。または、位置入力装置としての機能は
、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加す
ることができる。
キーボード923、ポインティングデバイス924等を有する。
33等を有する。
、操作キー944、レンズ945、接続部946等を有する。操作キー944およびレン
ズ945は第1筐体941に設けられており、表示部943は第2筐体942に設けられ
ている。そして、第1筐体941と第2筐体942とは、接続部946により接続されて
おり、第1筐体941と第2筐体942の間の角度は、接続部946により変更が可能で
ある。表示部943における映像を、接続部946における第1筐体941と第2筐体9
42との間の角度にしたがって切り替える構成としてもよい。
ト954等を有する。
ができる。
一態様は、これらに限定されない。つまり、本実施の形態などでは、様々な発明の態様が
記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の
一態様として、トランジスタのチャネル形成領域、ソース領域、ドレイン領域などが、酸
化物半導体を有する場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。場合
によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トラ
ンジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソース領域、ドレイン領域などは
、様々な半導体を有していてもよい。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の
一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トラン
ジスタのソース領域、ドレイン領域などは、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコン
ゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリ
ン、窒化ガリウム、または、有機半導体などの少なくとも一つを有していてもよい。また
は例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトラ
ンジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソース領域、ドレ
イン領域などは、酸化物半導体を有していなくてもよい。
12 トランジスタ
13 トランジスタ
14 トランジスタ
20 トランジスタ
22 トランジスタ
23 トランジスタ
24 トランジスタ
100 基板
101 絶縁体
102 導電体
103 絶縁体
104 絶縁体
106a 絶縁体
106b 半導体
106c 絶縁体
107a 低抵抗領域
107b 低抵抗領域
108a 導電体
108b 導電体
112 絶縁体
114 導電体
115 絶縁体
116 絶縁体
118 絶縁体
126a 領域
126b 領域
126c 領域
200 撮像装置
201 スイッチ
202 スイッチ
203 スイッチ
210 画素部
211 画素
212 副画素
212B 副画素
212G 副画素
212R 副画素
220 光電変換素子
230 画素回路
231 配線
247 配線
248 配線
249 配線
250 配線
253 配線
254 フィルタ
254B フィルタ
254G フィルタ
254R フィルタ
255 レンズ
256 光
257 配線
260 周辺回路
270 周辺回路
280 周辺回路
290 周辺回路
291 光源
300 シリコン基板
310 層
320 層
330 層
340 層
351 トランジスタ
352 トランジスタ
353 トランジスタ
360 フォトダイオード
361 アノード
363 低抵抗領域
370 プラグ
371 配線
372 配線
373 配線
380 絶縁体
450 半導体基板
452 絶縁体
454 導電体
456 領域
460 領域
462 絶縁体
464 絶縁体
466 絶縁体
468 絶縁体
472a 領域
472b 領域
474a 導電体
474b 導電体
474c 導電体
476a 導電体
476b 導電体
478a 導電体
478b 導電体
478c 導電体
480a 導電体
480b 導電体
480c 導電体
489 絶縁体
490 絶縁体
491 絶縁体
492 絶縁体
493 絶縁体
494 絶縁体
495 絶縁体
496a 導電体
496b 導電体
496c 導電体
496d 導電体
498a 導電体
498b 導電体
498c 導電体
504 導電体
507a 領域
507b 領域
511 絶縁体
514 導電体
700 基板
701 絶縁体
702a 導電体
702b 導電体
704 絶縁体
706a 絶縁体
706b 半導体
706c 絶縁体
707a 領域
707b 領域
711 絶縁体
712 絶縁体
714a 導電体
714b 導電体
716 絶縁体
719 発光素子
720 絶縁体
721 絶縁体
731 端子
732 FPC
733a 配線
734 シール材
735 駆動回路
736 駆動回路
737 画素
741 トランジスタ
742 容量素子
743 スイッチ素子
744 信号線
750 基板
751 トランジスタ
752 容量素子
753 液晶素子
754 走査線
755 信号線
781 導電体
782 発光層
783 導電体
784 隔壁
791 導電体
792 絶縁体
793 液晶層
794 絶縁体
795 スペーサ
796 導電体
797 基板
901 筐体
902 筐体
903 表示部
904 表示部
905 マイクロフォン
906 スピーカー
907 操作キー
908 スタイラス
911 筐体
912 筐体
913 表示部
914 表示部
915 接続部
916 操作キー
921 筐体
922 表示部
923 キーボード
924 ポインティングデバイス
931 筐体
932 冷蔵室用扉
933 冷凍室用扉
941 筐体
942 筐体
943 表示部
944 操作キー
945 レンズ
946 接続部
951 車体
952 車輪
953 ダッシュボード
954 ライト
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
1200 記憶素子
1201 回路
1202 回路
1203 スイッチ
1204 スイッチ
1206 論理素子
1207 容量素子
1208 容量素子
1209 トランジスタ
1210 トランジスタ
1213 トランジスタ
1214 トランジスタ
1220 回路
2100 トランジスタ
2200 トランジスタ
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3200 トランジスタ
3300 トランジスタ
3400 容量素子
4001 配線
4003 配線
4005 配線
4006 配線
4007 配線
4008 配線
4009 配線
4021 層
4022 層
4023 層
4100 トランジスタ
4200 トランジスタ
4300 トランジスタ
4400 トランジスタ
4500 容量素子
4600 容量素子
5100 ペレット
5120 基板
5161 領域
Claims (1)
- 酸化物半導体と、第1の導電体と、第1の絶縁体と、第2の絶縁体と、第3の絶縁体と、第4の絶縁体と、を有し、
前記酸化物半導体は、前記第1の絶縁体上に配置され、
前記第2の絶縁体は、前記酸化物半導体上に配置され、
前記第3の絶縁体は、前記第2の絶縁体上に配置され、
前記第1の導電体は、前記第3の絶縁体上に配置され、
前記第4の絶縁体は、前記第1の導電体上に配置され、
前記第4の絶縁体は、前記第2の絶縁体の上面と接する領域を有し、
前記酸化物半導体は、前記第2の絶縁体および前記第3の絶縁体を介して前記第1の導電体と重なる領域、を有し、
上面からみたとき、前記第1の絶縁体の外周および前記第2の絶縁体の外周が、前記酸化物半導体の外周よりも外側にある電子機器。
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